UNIVERSIDAD TÉCNICA DEL NORTE FACULTAD DE INGENIERÍA...
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UNIVERSIDAD TÉCNICA DEL NORTE
FACULTAD DE INGENIERÍA EN CIENCIAS APLICADAS
CARRERA DE INGENIERÍA EN ELECTRÓNICA Y REDES DE COMUNICACIÓN
“SISTEMA DE MEDIDOR INTELIGENTE DE AGUA POTABLE DOMICILIARIO
PARA LA JUNTA ADMINISTRADORA DE AGUA “El ABRA”.”
TRABAJO DE GRADO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERÍA
EN ELECTRÓNICA Y REDES DE COMUNICACIÓN
AUTOR: JUAN CARLOS FARINANGO TUQUERRES
DIRECTOR: MSC. JAIME ROBERTO MICHILENA CALDERÓN
Ibarra-Ecuador
2018
I
UNIVERSIDAD TÉCNICA DEL NORTE BIBLIOTECA UNIVERSITARIA
AUTORIZACIÓN DE USO Y PUBLICACIÓN
A FAVOR DE LA UNIVERSIDAD TÉCNICA DEL NORTE
IDENTIFICACIÓN DE LA OBRA
En cumplimiento del Art. 144 de la Ley de Educación Superior, hago la entrega del presente trabajo
a la Universidad Técnica del Norte para que sea publicado en el Repositorio Digital Institucional,
para lo cual pongo a disposición la siguiente información:
DATOS DE CONTACTO
CÉDULA DE IDENTIDAD: 100383401-5
APELLIDOS Y NOMBRES: Farinango Tuquerres Juan Carlos
DIRECCIÓN: La Esperanza - Comuna “El Abra”
EMAIL: [email protected]
TELÉFONO FIJO: TELÉFONO MÓVIL: 0939463342
DATOS DE LA OBRA
TÍTULO: SISTEMA DE MEDIDOR INTELIGENTE DE AGUA
POTABLE DOMICILIARIO PARA LA JUNTA
ADMINISTRADORA DE AGUA “El ABRA” AUTOR (ES): Juan Carlos Farinango Tuquerres
FECHA: DD/MM/AAAA 03 de diciembre de 2018
SOLO PARA TRABAJOS DE GRADO
PROGRAMA: PREGRADO POSGRADO
TITULO POR EL QUE OPTA: Ingeniero en Electrónica y Redes de Comunicación
ASESOR /DIRECTOR: Ing. Jaime Michilena Calderón, MSc.
II
CONSTANCIAS
El autor manifiesta que la obra objeto de la presente autorización es original y se la desarrolló, sin
violar derechos de autor de terceros, por lo tanto, la obra es original y que es el titular de los
derechos patrimoniales, por lo que asume la responsabilidad sobre el contenido de la misma y
saldrá en defensa de la Universidad en caso de reclamación por parte de terceros.
Ibarra, a los 03 días del mes de diciembre de 2018
EL AUTOR:
………………………………
Juan Carlos Farinango Tuquerres
CC: 100383401-5
III
UNIVERSIDAD TÉCNICA DEL NORTE
FACULTAD DE INGENIERÍA EN CIENCIAS APLICADAS
CERTIFICACIÓN.
MAGISTER JAIME MICHILENA CALDERÓN, DIRECTOR DEL PRESENTE
TRABAJO DE TITULACIÓN CERTIFICA:
Que, el presente trabajo de Titulación “SISTEMA DE MEDIDOR INTELIGENTE DE
AGUA POTABLE DOMICILIARIO PARA LA JUNTA ADMINISTRADORA DE AGUA El
ABRA”. Ha sido desarrollado por el señor Farinango Tuquerres Juan Carlos, bajo mi supervisión.
Es todo en cuanto puedo certificar en honor de la verdad.
………………………….
Ing. Jaime Michilena, MSc.
1002198438
DIRECTOR
IV
Agradecimiento.
Agradezco infinitamente,
A Dios y a la Santísima Madre del Rosario por brindarme salud, vida, paciencia, sabiduría y
guiarme en mi camino para lograr culminar esta meta.
A mis padres Rosa y José quienes con su esfuerzo, trabajo y sacrificio me han apoyado en todo
momento y especialmente en los más difíciles.
Al Ing. Jaime Michilena Calderón, director del presente trabajo de grado y docente a lo largo de
mi vida estudiantil, quien con su conocimiento y comprensión me ha permitido culminar mi
carrera de la mejor forma.
Al Ing. Omar Oña, codirector del presente trabajo de grado y docente en mi vida estudiantil quien
supo apoyarme en los momentos mas complicados de mi carrera brindándome su apoyo y
motivándome a seguir cursando mis estudios.
Al Ing. Paul Rosero, asesor del presente trabajo de grado quien con su conocimiento y consejos
me guio para realizar de la mejor manera el presente trabajo
A mis compañeros y amigos de la carrera quienes me compartieron sus experiencias, sus
conocimientos, y principalmente su amistad.
V
Dedicatoria.
Este este trabajo de grado está dedicado,
A mis padres José y Rosa, por su ejemplo trabajo y perseverancia para alcanzar los sueños,
y quienes me han brindado todo su esfuerzo y vida para que alcance mis metas.
A mis hermanos quienes compartieron su tiempo conmigo en las largas noches de estudio,
motivándome a seguir preparándome día a día ya que ustedes siguen mi camino.
A mis familiares y amigos, que me apoyaron para lograr cumplir esta meta, sus palabras
de aliento me motivaron para superar cada obstáculo y seguir adelante.
VI
ÍNDICE DE CONTENIDO
IDENTIFICACIÓN DE LA OBRA................................................................................................. I CONSTANCIAS............................................................................................................................. II
CERTIFICACIÓN. ....................................................................................................................... III AGRADECIMIENTO. ................................................................................................................. IV DEDICATORIA. ........................................................................................................................... V ÍNDICE DE CONTENIDO .......................................................................................................... VI ÍNDICE DE ILUSTRACIONES. ................................................................................................. IX
ÍNDICE DE TABLAS. ................................................................................................................. XI RESUMEN .............................................................................................................................. XII ABSTRACT. ......................................................................................................................... XIVV Capítulo 1. Antecedentes. ............................................................................................................... 1
1.1.Tema. ......................................................................................................................... 1
1.2.Problema .................................................................................................................... 1
1.3. Objetivos ................................................................................................................... 3
1.3.1. Objetivo general. ................................................................................................ 3
1.3.2. Objetivos específicos. ........................................................................................ 3
1.4. Alcance...................................................................................................................... 4
1.5. Justificación. ............................................................................................................. 5
Capítulo 2. Justificación Teórica. ................................................................................................... 7
2.1. Agua Potable ............................................................................................................. 7
2.1.1. Consumo de agua potable en el Ecuador. .......................................................... 8
2.1.2. Gestión del Agua................................................................................................ 9
2.2. Medidores Convencionales de Agua y Sensores de flujo ......................................... 9
2.2.1. Caudal ................................................................................................................ 9
2.2.2. Medidores de Agua Potable. ............................................................................ 11
2.2.3. Tipos de Medidores de Agua Electrónicos. ..................................................... 16
2.3. Medición Inteligente. .............................................................................................. 20
2.3.1. Medición Inteligente del Agua. .................................................................... 21
2.4. Electroválvulas para el control del flujo de líquidos............................................... 22
2.4.1. Tipos de Electroválvulas. ................................................................................. 23
2.5. Hardware Libre ....................................................................................................... 26
2.5.1. Clasificación del Hardware Libre. ................................................................... 26
2.6. Software Libre ......................................................................................................... 28
2.6.1. Software libre VS Software propietario. .......................................................... 30
2.6.2. Plataformas de software libre para desarrollo. .................................................. 30
VII
2.7. Internet de las cosas (IoT) ........................................................................................ 31
2.7.1. Aplicaciones del internet de las cosas: Monitoreo Remoto de Sensores. ......... 33
2.7.2. Protocolo MQTT ............................................................................................... 34
2.8. Tecnología de acceso Inalámbrico. .......................................................................... 38
2.8.1. Tecnología Wi-Fi. ............................................................................................. 39
2.8.2. Módulos de desarrollo electrónicos con dispositivos Wifi-integrados ............. 43
2.8.3. Node MCU ESP E12 ......................................................................................... 45
Capítulo 3. Diseño ........................................................................................................................ 48
3.1. Descripción General del Sistema. ........................................................................... 48
3.2. Análisis de la situación actual. ................................................................................ 50
3.2.1. Limitaciones ..................................................................................................... 59
3.2.2. Definiciones ..................................................................................................... 60
3.3. Modelo en V de desarrollo del Sistema. ................................................................. 60
3.4. Requerimientos. ...................................................................................................... 62
3.4.1. Requerimientos de los stakeholders. ................................................................ 64
3.4.2. Requerimientos del sistema. ............................................................................ 65
3.4.3. Requerimientos de Arquitectura. ..................................................................... 66
3.5.Selección del Hardware y Software .......................................................................... 68
3.5.1. Selección de Hardware. .................................................................................... 68
3.5.1.1. Elección de la placa de procesamiento de datos. ....................................... 69
3.5.1.2. Elección del módulo Wi-Fi. .................................................................... 70
3.5.1.3. Elección del sensor de flujo de agua ........................................................ 71
3.5.1.4. Elección de la electroválvula. ................................................................. 73
3.5.2. Selección del Software. ................................................................................. 74
3.5.2.1. Elección de la plataforma para la base de datos. ................................... 74
3.5.2.2. Elección del IDE de programación de la placa de procesamiento. ......... 75
3.6. Diseño ...................................................................................................................... 76
3.6.1. Diagrama de bloques ........................................................................................ 77
3.6.2. Diagrama esquemático ...................................................................................... 78
3.6.2.1. Diagrama de circuito de conexión del sensor de flujo con la placa de
procesamiento NodeMCU ESP E12. ............................................................................................ 79
3.6.2.1.1. Comprobación de mediciones de flujo. .............................................. 80
VIII
3.6.2.2. Pruebas de funcionamiento del módulo ESP E12 en modo servidor. .... 82
3.6.2.3. Diagrama de circuito de conexión de la electroválvula. ....................... 83
3.6.2.3.1. Pruebas de funcionamiento de la electroválvula. ........................... 83
3.6.3. Creación de la Base de Datos en un hosting gratuito .................................... .84
3.7. Diagrama de flujo del sistema. ............................................................................... 87
3.7.1. Diagrama de flujo del sensado de agua. ......................................................... 87
3.7.2. Diagrama de flujo del programa de transmisión de datos. ............................. 88
Capítulo 4. Pruebas de funcionamiento y resultados. ................................................................... 90
4.1. Pruebas de medición del sensor de flujo. ................................................................ 90
4.1.1. Calculo del porcentaje de error de mediciones de flujo. .............................. 92
4.1.2. Visualización de los datos en una LCD de 16x2. ......................................... 93
4.2. Pruebas de conectividad. ......................................................................................... 95
4.2.1. Prueba de conexión a la red local y a la Internet. ......................................... 96
4.3. Pruebas del corte de servicio. ................................................................................ 101
4.4. Pruebas de funcionamiento del servidor de la base de datos. ............................... 104
Capítulo 5: Conclusiones y recomendaciones. ........................................................................... 117
5.1. Conclusiones. ........................................................................................................ 117
5.2. Recomendaciones.................................................................................................. 118
Bibliografía ............................................................................................................................. 120
Anexos ............................................................................................................................. 127
Anexo A: Programa para el módulo Wifi ESP8266 mediante comandos AT .... 127
Anexo B: Código del sensor de flujo y LCD ...................................................... 127
Anexo C: Envió de datos a la Base de Datos ...................................................... 129
Anexo D:Código para enviar y recibir datos desde Internet ............................... 130
Anexo E:Código pagina web de control ............................................................. 134
Anexo F:Página web de login ............................................................................. 136
Anexo G:Creación de la cuenta en la plataforma IoT Cloud MQTT .................. 137
Anexo H:Creación de la cuenta en la plataforma Infinityfree......................... 12740
Anexo I:Fotografias construccion del dispositivo ............................................... 142
Anexo J: Presentación del proyecto a la Asamblea General ............................... 144
Anexo K:Presentación del sistema en los domicilios .......................................... 148
Anexo L: Certificado de haber concluido el proyecto ........................................ 151
IX
Índice de Ilustraciones.
Ilustración 1.Consumo de agua potable por m3 en el sector urbano y rural .................................... 8 Ilustración 2. Alguna practica de ahorro de agua potable ................................................................ 8 Ilustración 3.Volumen de un fluido que fluye con velocidad uniforme por un área A. ................ 10 Ilustración 4. Medidor de agua de chorro único ............................................................................. 13 Ilustración 5. Medidor de agua de chorro múltiple. ....................................................................... 14 Ilustración 6. Indicador numérico de un medidor convencional de agua. ...................................... 15 Ilustración 7. Indicadores de agujas en un medidor convencional. ................................................ 15 Ilustración 8. Elementos de un medidor electromagnético. ........................................................... 17 Ilustración 9. Sensor de flujo de Efecto Hall YF-S201 .................................................................. 19 Ilustración 10. Electroválvula normalmente cerrada de dos vías. .................................................. 23 Ilustración 11. Válvula de solenoide operada por piloto, normalmente cerrada ............................ 25 Ilustración 12: IDE de Arduino ...................................................................................................... 31 Ilustración 13. Conexión IoT. ........................................................................................................ 32 Ilustración 14. IoT conexión de dispositivos y sistemas a la Internet ............................................ 33 Ilustración 15. Diagrama de envió de datos en el protocolo MQTT .............................................. 35 Ilustración 16. Canales de transmisión de un dispositivo wifi. ...................................................... 42 Ilustración 17: Modulo Wifi RTL 8710. ........................................................................................ 44 Ilustración 18. Placa NodeMCU ESP E12 ..................................................................................... 46 Ilustración 19. Ubicación comunidad de “El Abra" ....................................................................... 48 Ilustración 20. Diagrama de comunicación del sistema ................................................................. 49 Ilustración 21. Autoridades de la Junta Administradora de Agua .................................................. 51 Ilustración 22. Captación de agua de las faldas del volcán Imbabura ............................................ 52 Ilustración 23. Tanques rompe presión .......................................................................................... 52 Ilustración 24. Tanque de filtrado y purificación de agua .............................................................. 53 Ilustración 25. Tanque de distribución ........................................................................................... 54 Ilustración 26. Medidor de agua colocados en cada domicilio ...................................................... 54 Ilustración 27. Dirigente de la Junta de Agua realizando el registro de la cantidad de agua
consumida en un domicilio ............................................................................................................ 55 Ilustración 28. Documento de registro de consumo de agua .......................................................... 56 Ilustración 29. Matriz de cuentas elaborado por el tesorero de la Junta de Agua .......................... 57 Ilustración 30. Documento que entrega el tesorero al usuario por lo pagos efectuados ................ 58 Ilustración 31. Modelo Desarrollo. ................................................................................................ 61 Ilustración 32. Diagrama de bloques del sistema ........................................................................... 77 Ilustración 33. Diagrama Esquemático del dispositivo final de medición ..................................... 79 Ilustración 34. Conexión del sensor de flujo con la placa de procesamiento ................................. 80 Ilustración 35. Código para prueba de funcionamiento del sensor de flujo ................................... 81 Ilustración 36. Datos generados por el sensor de flujo .................................................................. 81 Ilustración 37. Código conexión del módulo WiFi a la red de un domicilio ................................. 82 Ilustración 38. Comprobación de conexión del módulo ESP8266 ................................................. 82 Ilustración 39. Diagrama de conexión de la electroválvula con la placa Arduino ......................... 83 Ilustración 40. Código para test de la electroválvula ..................................................................... 84 Ilustración 41. Ingreso a la plataforma InfinityFree ....................................................................... 85 Ilustración 42. Cuenta en la plataforma InfinityFree ..................................................................... 85 Ilustración 43. Base de datos en la cuenta de InfinityFree ............................................................. 86 Ilustración 44. Interfaz de la base de datos creada ......................................................................... 86 Ilustración 45. Diagrama de flujo del programa de sensado. ......................................................... 88 Ilustración 46. Diagrama de flujo del algoritmo de comunicación ................................................ 89 Ilustración 47. Obtención de pulsos del sensor de flujo ................................................................. 92 Ilustración 48. Grafica de la variación de pulsos en el sensor de flujo. ......................................... 93
X
Ilustración 49. Conexión LCD con la placa NodeMCU ESP E12 ................................................. 94 Ilustración 50. Información que se muestra a los usuarios ............................................................ 94 Ilustración 51. Obtención de la dirección MAC del NODEMCU ESP E12 .................................. 95 Ilustración 52. Lista de direcciones MAC en el router del domicilio ............................................ 96 Ilustración 53. Código para enviar comandos AT desde la placa Arduino .................................... 98 Ilustración 54. Configuración n modo cliente del módulo ESP8266 ............................................. 98 Ilustración 55. Muestra las redes disponibles en el medio ............................................................. 99 Ilustración 56. Código desarrollado para realizar configuraciones iniciales del módulo WiFi al
iniciar el sistema ............................................................................................................................. 99 Ilustración 57. Datos de respuesta del módulo Wi-Fi .................................................................. 100 Ilustración 58. Prueba de conexion del modulo W-iFi ................................................................. 101 Ilustración 59. Interfaz de control de servicio .............................................................................. 102 Ilustración 60. Estado encendido de la electroválvula. ................................................................ 103 Ilustración 61. Estado apagado del medidor ................................................................................ 103 Ilustración 62. Código PhP para receptar los datos y registrarlos en la base de datos ................. 105 Ilustración 63. Interfaz de la base de datos .................................................................................. 105 Ilustración 64. Los datos registrados por el primer medidor uno. ................................................ 106 Ilustración 65. Tabla de registros del segundo medidor. .............................................................. 107 Ilustración 66. Ubicación de los medidores en la comunidad ...................................................... 108 Ilustración 67. Medidor en un domicilio de la zona alta y componentes del dispositivo final. ... 109 Ilustración 68. Información que se presenta en la LCD ............................................................... 110 Ilustración 69. Página web del administrador .............................................................................. 110 Ilustración 70. Comprobante de cobro por servicio. .................................................................... 111 Ilustración 71. Comprobante de pago .......................................................................................... 112
XI
Índice de Tablas.
Tabla 1. Parámetros del mensaje CONNET. .................................................................... 35 Tabla 2. Parámetros CONNECTACK. ............................................................................. 36
Tabla 3. Parámetros del mensaje SUSCRIBE .................................................................. 37 Tabla 4. Parámetro mensaje SUBACK. ............................................................................ 37 Tabla 5. Parámetros UNSUBSCRIBE. ............................................................................. 37 Tabla 6. Parámetros del mensaje PUBLISH ..................................................................... 38 Tabla 7. Estándares IEEE 802.11. ..................................................................................... 40
Tabla 8: Actores involucrados .......................................................................................... 63 Tabla 9. Tabla de requerimientos de los stakeholders ...................................................... 64 Tabla 10. Requerimientos de sistema................................................................................ 65 Tabla 11. Requerimientos de Software, Hardware y eléctricos. ....................................... 67
Tabla 12. Comparación de diferentes placas de procesamiento . ..................................... 69 Tabla 13. Características placa electrónica ESP E12 ........................................................ 70
Tabla 14: Comparación de los diferentes módulos Wi-Fi ................................................ 70 Tabla 15. Características del módulo Wi-Fi ESP8266...................................................... 71
Tabla 16. Comparación de los diferentes sensores de flujo de acuerdo con los
requerimientos establecidos. ............................................................................................. 72 Tabla 17. caractersiticas del sensor de flujo de liquidos YF-S201 ................................... 72
Tabla 18. Comparación de las electroválvulas. ................................................................. 73 Tabla 19. Características de la electroválvula Eaglestime. ............................................... 73
Tabla 20. Elección de la plataforma de base de datos....................................................... 74 Tabla 21. Elección de la plataforma de programación. ..................................................... 75 Tabla 22. Elección de la plataforma de almacenamiento en la nube. ............................... 76
Tabla 23. Tabulación de mediciones obtenidas con el sensor de flujo. ............................ 90
Tabla 24. Registro de datos de lecturas de flujo de agua . ................................................ 92 Tabla 25: Comandos AT para configuración del módulo WI-FI. ..................................... 97 Tabla 26. Control de la electroválvula. ........................................................................... 102
Tabla 27: Confiabilidad de la activación o desactivación del servicio desde la plataforma
de control. ........................................................................................................................ 104
Tabla 28. Confiabilidad del registro de las lecturas de consumo en la Base de Datos. .. 107 Tabla 29. Confiabilidad del sistema total. ....................................................................... 112
Tabla 30. Presupuesto de hardware ................................................................................. 113 Tabla 31. Presupuesto de software. ................................................................................. 114 Tabla 32. Presupuesto de mano de obra .......................................................................... 114 Tabla 33. Presupuesto total. ............................................................................................ 115
Índice de Ecuaciones.
Ecuación 1. Flujo de caudal por un ducto ………………………………………………9
Ecuación 2. Flujo volumétrico…………. .……………………………………………..10
Ecuación 3. Flujo de caudal en superficies irregulares. .……………………….............11
Ecuación 4. Fuerza electromotriz ……………………. .………………………………16
Ecuación 5. Caudal en función de la fuerza electromotriz. .…………………………...17
XII
Resumen.
El presente proyecto muestra el diseño e implementación de un sistema inteligente de
medición del consumo de agua potable para la Junta Administradora de Agua de la comunidad “El
Abra”, parroquia La Esperanza, ciudad de Ibarra, el cual se lo desarrolla con el objetivo de
automatizar los procesos de recolección, almacenamiento de la información y cálculo de valores
económicos para la facturación del servicio.
El sistema permite obtener información de los valores de consumo de agua de cada usuario,
observar el estado del medidor, y controlar el servicio desde cualquier punto que se disponga de
conexión a internet, además, almacenar información de todo el historial de consumo de agua en
un sistema de base de datos en la nube, la cual respalda la información en caso de que se presente
perdidas de datos accidentalmente en el proceso de recopilación.
El dispositivo de medición de agua está integrado por un sensor de flujo el cual realiza el
conteo de la circulación del volumen de agua a través del sistema de control, la conversión de
pulsos eléctricos obtenidos del sensor a datos es efectuado en la placa de procesamiento, a la placa
de control también están conectados otros dispositivos como la electroválvula y el módulo Wi-Fi
de comunicación. La electroválvula es el elemento que permite el control de servicio, trabaja en
modo de circulación o de corte dependiendo de la configuración que realice el administrador,
siendo accionado desde la página web de administración dependiendo del estado del medidor. El
módulo de comunicación es el dispositivo que recibe y transmite información hacia el servidor,
los datos generados en la placa de procesamiento se envían a través de este módulo hacia el
servidor de base de datos y así también recibe los pulsos de control que envía el servidor de control.
XIII
Los datos generados por el dispositivo de medición son almacenados en la base de datos
con su respectivo código del medidor, fecha de registro y los valores de las mediciones; esta
información es utilizada para el cálculo de valores económicos que los usuarios deben cancelar
por el servicio a la Junta Administradora de Agua.
Los resultados en las pruebas de funcionamiento efectuadas a las diferentes partes que
integran el sistema como son: el conteo flujo de agua, corte de servicio y registros de los datos de
consumo de agua en una base de datos, muestran que el dispositivo presenta un nivel de confianza
del 98.5%. Concluyendo de esta forma que el sistema de medición implementado automatiza los
procesos que maneja la Junta de Agua El Abra.
XIV
Abstract.
This project shows the design and implementation of an intelligent drinking water
measurement system for the Water Management Board of the community "El Abra", La Esperanza
parish, Ibarra city, which is developed with the objective of automating the processes of collection,
storage of information and calculation of water consumption for service billing.
The system allows to obtain information about the water consumption values of each user,
to observe the status of the meter, and control the service from any point that has an Internet
connection, in addition, the information of the water consumption is saved in a database system in
the cloud, which is a backup the information in the event that data loss accidentally occurs in the
collection process
The water measuring device is integrated by a flow sensor which counts the circulation of
the water volume through the control system, the conversion of the electronic pulses from the
sensors to data is made on the processing card. Other devices such as the solenoid valve and the
Wi-Fi communication module are also connected to the control board. The solenoid valve is the
element that allows control the service, it works in ON or OFF mode depends of the administrator
configuration. The communication module is the device that receives and transmits the information
to the server, the data generated on the processing board is sent through this module to the database
server and receives the control pulses from server of control.
The data generated by the water metering device are stored in the database with its
respective meter code, date of recording and the values of the measurements; the information is
used for the calculation the water service values.
XV
The results in the functional tests to the to the different parts that make up the system, such
as: the water flow count, service cut and records of the water consumption data in a database, show
that the device presents a confidence level of 98.5%. In conclusion the system implemented
automates the processes managed by the El Abra Water Board.
1
Capítulo 1. Antecedentes.
En este capítulo se encuentran detalladas las bases para el desarrollo del presente trabajo
de titulación, siendo éstos: el tema, la problemática, los objetivos, el alcance y la justificación, con
la finalidad de implementar un sistema de medidores inteligentes de agua potable, el cual ayudará
a la gestión de información de consumo de agua en los domicilios de la comunidad “El Abra”.
1.1. Tema.
SISTEMA DE MEDIDOR INTELIGENTE DE AGUA POTABLE DOMICILIARIO
PARA LA JUNTA ADMINISTRADORA DE AGUA “El ABRA”.
1.2. Problema.
La junta administradora de Agua El Abra ubicado en la comunidad del mismo nombre,
perteneciente a la parroquia La Esperanza del cantón Ibarra es una organización que gestiona la
distribución de agua potable a los habitantes del sector, mediante la implementación de sistemas
de suministro que garantizan el derecho de acceso equitativo al agua como lo manifiesta la
constitución de la república. (CONSTITUCION DEL ECUADOR, 2008).
Actualmente dentro esta organización la recolección y registro de información que se
genera en los medidores de agua es realizada por el personal designado, para lo cual se movilizan
largas distancias hacia los domicilios de los usuarios enfrentándose a diversos inconvenientes. Los
diferentes problemas que presenta la junta de agua son: registro de la cantidad de agua consumida
en un cuaderno u hojas volantes, el corte de servicio por falta de pago se lo efectúa de forma
manual incurriendo en el desperdicio de líquido. Otra dificultad se presenta en el proceso de
2
realizar el registro de las lecturas donde el personal involuntariamente comete errores lo cual
genera varios inconvenientes en el proceso de facturación, y molestias en los clientes, también
existe el caso de pérdida del cuaderno y hojas de registros, ocasionando como consecuencia los
cobros erróneos a los clientes. Adicionalmente el método de gestión de información que se emplea
actualmente dentro de esta institución es de forma manual, es decir desde el proceso de recolección
de información hasta la facturación es realizada en cuadernos de cuentas, esto genera tiempos muy
largos en la atención a los clientes, además, existe errores humanos en los cálculos de las
cantidades consumidas.
La Junta Administradora de Agua con el crecimiento poblacional y ejecución de nuevos
proyectos de agua potable requerirá la instalación de mayor número de medidores domiciliarios,
por ende, un sistema que permita realizar la gestión de información, registro de lecturas, corte de
servicio remoto, facturación y la capacidad de brindar información los clientes el historial de
consumo facilitará la administración del servicio.
Con la implementación de un sistema autónomo se reducirá el tiempo de atención y
respuesta a las solicitudes de los usuarios, y se obtendrá información en tiempos cortos de la
cantidad consumida en los hogares para posteriormente generar estadísticas de los datos obtenidos,
así también se podrá adaptase a los cambios efectuados por la ampliación de la infraestructura.
3
1.3. Objetivos
1.3.1. Objetivo general.
Implementar de un sistema de medidor inteligente de agua potable para la Junta de Agua
El Abra, mediante utilización de plataformas tecnologías de hardware y software libre para
monitorear el consumo agua.
1.3.2. Objetivos específicos.
Revisar la bibliografía referente al tema planteado para determinar las bases teóricas y el
estado del arte relacionados al desarrollo de sistemas de este tipo.
Diagnosticar la situación actual del consumo de agua potable en la comunidad de El Abra,
para identificar los problemas que posee la junta administradora y los usuarios con los medidores
actuales.
Determinar los diferentes dispositivos electrónicos para el procesamiento y envió de datos,
herramientas para el desarrollo del prototipo y plataformas tecnológicas a utilizarse en la ejecución
del presente proyecto.
Implementar el dispositivo de medición de agua potable, y la plataforma de visualización
y control con los parámetros establecidos por la junta administradora.
Realizar pruebas de funcionamiento del dispositivo, en diferentes puntos o para verificar
el adecuado funcionamiento.
4
1.4. Alcance.
El presente proyecto se centra en el desarrollo de un sistema de medición de consumo de
agua potable para domicilios de la comunidad de “El Abra”, el cual permita realizar lecturas
remotas del consumo de agua, conexión y desconexión de servicio, utilizando elementos
electrónicos y plataformas de desarrollo actuales que posibiliten cumplir con los requerimientos
identificados en lugar de implementación.
En la evaluación de la situación actual del consumo de agua potable se recolectará
información sobre todos los problemas que posee la junta administradora, y se identificará los
problemas que ocasiona la utilización de medidores convencionales, lo que permitirá obtener los
lineamientos para el diseño del dispositivo final.
En base al estudio bibliográfico se determinará los diferentes sensores electrónicos
utilizados para la medición del flujo de caudal de agua. Además, los dispositivos adecuados para
realizar la función de corte de suministro de agua y los módulos inalámbricos para la comunicación
y transmisión de datos desde los medidores con el servidor de almacenamiento de información. La
plataforma de visualización y control se diseñará de acuerdo a los requerimientos que manifiesten
las autoridades de la junta de agua. El sistema estará alojado en una PC donde se ejecutará
permanentemente una interfaz de administración y gestión.
El dispositivo final por implementarse efectuará diferentes funciones. El sensor de flujo
digitalizará la cantidad de agua consumida en el domicilio, la visualización local de los datos se
presentará en una pantalla LCD y el corte de servicio se efectuará con una electroválvula que será
controlada desde la plataforma de administración.
5
Y finalmente para la comunicación del medidor con el sistema de gestión se utilizará un
módulo inalámbrico wifi que se conectara a la internet y transmitirá la información cuando el
administrador lo solicite o de acuerdo con las especificaciones que requieran las autoridades de la
organización. La implementación se lo ejecutará en tres domicilios con conexión a internet donde
se verificará todas las funcionalidades que presenta el dispositivo. El proceso de facturación se lo
realizará a través de un software que contenga funciones básicas para el cálculo de la cantidad de
agua consumida, y generación del valor económico a pagar. Los datos obtenidos también serán
almacenados como respaldo informático para la organización.
La prueba de funcionamiento se lo realizará con las autoridades y el personal encargado de
la administración del sistema de agua potable, donde se visualizará el funcionamiento real que
ofrece el dispositivo, y será sometido a pruebas de funcionamiento en diferentes sitios dentro del
sector para observar la máxima capacidad del equipo instalado.
1.5. Justificación.
El desarrollo e innovación tecnologías que ayuden a administrar adecuadamente los
recursos naturales que posee nuestros países está dentro de los objetivos que persigue el Plan
Nacional del Buen Vivir, permitiendo a las poblaciones de los sectores rurales utilizar tecnologías
actuales para mejorar la productividad para vivir en armonía con la naturaleza y sociedad. Por esta
razón es importante desarrollar tecnologías que beneficien al medio amiente y el hombre. (PNBV,
2013-2017)
6
La Junta administradora de Agua “El Abra” preserva y mantiene la fuente de agua que
posee comunidad y distribuye este recurso hacia los habitantes de forma equitativa de acuerdo a
las políticas del país establecidas en la constitución del 2008 y reglamentos que han establecido en
asambleas por los moradores del sector, con el presente proyecto se contribuirá en aspectos como
el desarrollo e innovación y la conservación de recursos naturales planteados en el Plan Nacional
del Buen Vivir en beneficio de las comunidades rurales.
Para realizar las mediciones de consumo del líquido en los hogares se han instalado
medidores convencionales, los cuales solo cumplen con la función tradicional de marcar la
cantidad de agua utilizada. por tal razón es necesario designar personal para recorrer por la
comunidad tomando lecturas de consumos. La implementación de un sistema inteligente de
medición de agua potable permitirá automatizar el proceso de recolección de información de los
medidores de consumo, minimizando las fallas humanas que existen en instante de registro de
datos y así ofreciendo servicio de calidad hacia los clientes.
En la comuna “El Abra” el número de habitantes ha incrementado en los últimos años y
con ello ha aumentado las peticiones de medidores de agua, por esta razón se necesitará más
personal para realizar el registro de consumo y cortes de servicio por falta de pago, incrementando
la cantidad de recursos a utilizar para realizar los procesos antes mencionados. Un sistema
automatizado podrá realizar mediciones exactas de consumo de agua así reduciendo los errores de
registro, así como también reducir el costo de reconexión de servicio.
7
Capítulo 2. Justificación Teórica.
En este capítulo se recopilará la información bibliográfica de los diferentes componentes a
utilizarse en el presente proyecto como son los sensores de flujo de agua, electroválvulas, módulos
procesamiento y de comunicación, dispositivo de visualización de información y las plataformas
de control, así también los aspectos técnicos necesarios para el desarrollo del dispositivo y la
metodología para cumplir con los objetivos del proyecto.
Los temas del agua en el sector rural se han ido desarrollando con iniciativas sociales en los últimos
años para administrar el servicio de suministro de agua hacia las comunidades asentadas en las
cercanías de las fuentes. La mayoría de las iniciativas han iniciado con el apoyo y soporte de
organizaciones internacionales y los gobiernos locales, seccionales, o centrales.
La gestión comunitaria de agua fue reconocida en 1979 en la ley de aguas y reafirmada en la
asamblea constituyente del año 2008, por esta razón para llevar adelante las funciones de
administración agua se forman Juntas Administradoras, estas entidades están facultadas para
proveer de líquido vital a las poblaciones de forma organizada, garantizando el acceso equitativo
de todos los habitantes a este recurso. (SENAGUA)
2.1. Agua Potable
El agua es el líquido esencial para los seres vivos especialmente para el ser humano, el
planeta está rodeado por el 70% de agua salada, del total de agua presente en el planeta el 3% es
agua dulce, la misma que no es muy adecuada para el consumo del ser humano; la cual para ser
consumible debe pasar por un proceso de potabilización donde se adecua para el consumo de los
seres vivos. En el proceso de potabilización el agua es sometida a tratamiento especiales para
eliminar microrganismos y sustancias que son perjudiciales para la salud de los seres humanos.
Posterior a este proceso puede ser consumida sin ningún riesgo para la salud.
8
Ilustración 1.Consumo de agua potable por m3 en el sector urbano y rural
Fuente: (INEC, 2012)
Ilustración 2. Alguna practica de ahorro de agua potable
Fuente: (INEC, 2012)
2.1.1. Consumo de agua potable en el Ecuador.
El Instituto Nacional de Estadísticas y Censos (INEC)en el censo del año 2012 obtuvo datos de
que el 76,51% de hogares ecuatorianos tienen acceso al agua potable, mientras que un 23.49% de
ecuatorianos no tienen acceso al mismo. Además, el consumo mensual de agua potable por hogar en
el área urbano es de 26.73 m3 y en el sector rural llega a los 27,74 m3. En la ilustración 1 se visualiza
el consumo de agua potable en el sector urbano y en el sector rural.
Dentro del censo también se recolecto información acerca de los hogares que realizan alguna
practica de ahorro de agua potable dando como resultado que el 27.90% en el sector rural, y en el área
urbana un 29,2%. En la ilustración 2 de observa la cantidad de hogares que realizan alguna practica de
ahorro de agua.
9
2.1.2. Gestión del Agua
En el Ecuador la gestión, regulación y control de recursos hidrológicos lo ejerce la Agencia
de Regulación y Control del Agua (ARCA), el cual dentro de las funciones realiza la gestión
integral e integrada de los recursos hídricos, la cantidad y calidad de agua en sus fuentes y zonas
de recarga, la calidad de los servicios públicos relacionados al sector del agua y en todos los usos,
aprovechamientos y destinos del agua.
En el censo realizado por el INEC en el año 2012, se identificó que 128 de 220 municipios
en el país realizaron campañas para el ahorro de agua y 91 hicieron proyectos para proteger para
proteger fuentes de agua.
2.2. Medidores Convencionales de Agua y Sensores de flujo
2.2.1. Caudal
Es la circulación de una cierta cantidad fluido a través de un área (tubería, cañería,
oleoducto, río, canal) durante un determinado tiempo, también conocido como flujo volumétrico
o volumen que pasa a través de una sección de un ducto, la ilustración 3 muestra el movimiento
del líquido a través de un conducto.
El caudal de un ducto se puede calcular con la siguiente formula:
Q=A*V (1)
10
Ilustración 3.Volumen de un fluido que fluye con velocidad uniforme por un área A.
Fuente: (Pablo, 2015)
Donde:
Q = Caudal volumétrico en (m3/s)
A = Área de la sección transversal en metros cuadrados.
V = Velocidad media del agua en el punto (m/s).
Si la velocidad del fluido no es uniforme o si el área no es plana, el flujo se calcula por
medio de la siguiente integral.
∅ = ∬ 𝑣. 𝑑𝑆𝑆
(2)
Donde dS es el vector superficie, que se define como:
dS= ndA
Donde n es el vector unitario normal a la superficie y dA un elemento diferencial de área.
Si se tiene una superficie S que encierra un volumen V, el teorema de la divergencia
establece que el flujo a través de la superficie es la integral de la divergencia de la
11
velocidad v en ese volumen:
∬ 𝑣 ∗ 𝑑𝑆 =∭ (∇. 𝑣)𝑑𝑉𝑣𝑠
(3)
2.2.2. Medidores de Agua Potable.
El medidor de agua es un instrumento de precisión perteneciente a una conexión que
registra el flujo volumétrico (m3/s) de agua que pasa desde la red de distribución hasta el interior
del domicilio.
Los medidores tradicionales que se usan actualmente en la mayoría de los domicilios son
de tipo mecánico y generan información estática para el usuario. La razón es que no cuentan con
ningún tipo de integración con nuevas tecnologías que dinamicen la comunicación con el usuario,
es decir permitir que el dispositivo sea controlado remotamente ya sea para lectura de datos o para
la activación o desactivación de algún sensor. La innovación tecnológica ha permitido introducir
en los instrumentos de medición de agua sensores electromagnéticos, de efecto Hall, Doppler y
otras que permiten ser integradas a sistemas de procesamiento digital.
2.2.2.1. Funcionamiento de los medidores convencionales.
Los medidores mecánicos cuentan con tres tipos de componentes que son: cuerpo, cámara
y registro. El funcionamiento de estos dispositivos se divide en dos tipos: chorro único y chorro
múltiple.
12
2.2.2.1.1. Medidores de surtidor único:
El medidor de agua de chorro único se utiliza como contador de consumo en las redes
domésticas, su funcionamiento se basa en que el flujo de agua acciona directamente la turbina, el
giro a través de los engranajes de la relojería, se marca en metros cúbicos o la unidad de medida
establecida.
Los conductos de entrada y salida se encuentran en el mismo plano horizontal, por lo cual
el agua atraviesa la cámara de medición sin sufrir ninguna alteración, el agua al moverse en el
plano horizontal elimina las minúsculas impurezas que lleva consigo el líquido. En la ilustración
4 se visualiza un medidor de agua de chorro único.
Existe tres tipos de contador de agua a chorro único las cuales son:
Medidor de esfera húmeda con relojería completamente sumergida en el agua con
transmisión directa desde la turbina a los engranajes.
Medidor de esfera húmeda con relojería sumergida en el agua y rodillos protegidos
contenidos en una capsula sellada. Transmisión directa desde la turbina a los
engranajes.
Medidor de esfera seca, con relojería separada del flujo de agua. Transmisión por
medio de acoplamiento magnético.
13
Ilustración 4. Medidor de agua de chorro único
Fuente: (Rolando, 2011)
2.2.2.1.2. Chorro múltiple.
El medidor de agua de chorro múltiple es utilizado en el sector industrial, así también en él
ambiente doméstico. El flujo de agua al ingresar a la parte interna del contador pasa a través de
una serie de conductos que conectan con la turbina donde los chorros simétricos impactan a este
mecanismo. Luego el agua sale a través de una serie de tuberías situados en la parte superior del
distribuidor.
Tipos de medidores de chorro múltiple:
Contador de esfera húmeda con relojería completamente sumergida en agua con
transmisión directa desde la turbina a los engranajes.
Contador de esfera húmeda con relojería sumergida en agua y rodillos protegidos
contenidos en una capsula sellada. Transmisión directa desde la turbina a los
engranajes.
14
Contador de esfera seca, con relojería separada del flujo de agua. Transmisión a
través de acoplamiento magnético. En la ilustración 5 se visualiza un medidor de agua
de chorro múltiple.
Ilustración 5. Medidor de agua de chorro múltiple.
Fuente: (Rolando, 2011)
2.2.2.2.Método de Lectura de los Medidores Convencionales.
Los medidores poseen un instrumento en la parte interna que funciona con el paso de agua,
este mecanismo es el que acciona los engranajes y mueve las agujas que están colocados en la
parte visible del medidor mostrando información de las cantidades consumidas.
El funcionamiento se basa en que el agua ingresa a la cámara de medición donde se acciona
la turbina y se produce el movimiento continuo. Esta circulación de líquido se transmite a hacia
un conjunto de engranajes o imanes (de acuerdo con el tipo de medidor, mecánico o magnético)
los cuales accionan las agujas que están ubicadas en la parte visible del medidor.
15
Los números: Los medidores están construidos con un código de colores para indicar
en que unidad de medida se está realizando el conteo, en los cuales se utiliza el color
negro para indicar en metros cúbicos, y el rojo para mostrar los valores en litros. La
lustración 6 muestra los indicadores numéricos que posee un medidor.
Ilustración 6. Indicador numérico de un medidor convencional de agua.
Fuente: (SAAE, 2017)
Las agujas: Estos elementos indican la cantidad de agua que se está consumiendo,
para la lectura se debe observar los factores de multiplicidad que posee cada uno. En
la ilustración 7 se visualiza los indicadores de aguja de un medidor.
Ilustración 7. Indicadores de agujas en un medidor convencional.
Fuente: (SIMAS, 2012)
16
El factor de multiplicidad x0,0001: Muestra que la aguja marca la décima parte de
un litro.
El factor de multiplicidad x0,001: Muestra que la aguja marca un litro de consumo.
El factor de multiplicidad x0,01: Muestra que la aguja marca decenas de litros.
El factor de multiplicidad x0,1: Muestra que la aguja está marcando cientos de
litros.
2.2.3. Tipos de Medidores de Agua Electrónicos.
Los medidores de agua electrónicos se dividen en tres importantes tipos: Medidores
electromagnéticos, medidores de efecto Hall, y medidores de efecto Doppler. Estos dispositivos
están equipados con sensores que permiten convertir el flujo de agua en pulsos electrónicos. La
señal de voltaje generada se puede utilizar en un sistema de procesamiento de datos para convertir
los pulsos electrónicos en datos comprensibles para los usuarios.
2.2.3.1.Medidor de Caudal Electromagnético.
El medidor electromagnético está diseñado para medir el caudal volumétrico instantáneo
de los líquidos eléctricamente conductivos en sistemas de tuberías cerradas. Su principio de
funcionamiento está basado en inducción electromagnética, es decir, cuando un conductor se
mueve a través de un campo magnético se genera una fuerza electromotriz en el conductor, siendo
su magnitud directamente proporcional a la velocidad del conductor en movimiento. (García). En
la ilustración 8 se visualiza los elementos que posee un medidor electromagnético.
𝑒 = 𝐾 ∗ 𝐵 ∗ 𝐿 ∗ 𝑉 (4)
17
B= fuerza del campo magnético (inducción), mantenida constante por la construcción,
L= longitud del conductor (distancia entre electrodos),
K=constante de escala (depende de la sección del sensor).
El voltaje inducido “e” en este punto, es proporcional a la velocidad V y por lo tanto al
caudal Q.
𝑄 = 𝐶𝑜𝑠(𝑡) ∗ 𝑒 (5)
Ilustración 8. Elementos de un medidor electromagnético.
Fuente: (Garcia, 2015)
Ventajas de los medidores electromagnéticos.
o No poseen partes móviles en contacto con el agua.
o No se necesita filtros a la entrada (para líquidos sucios)
o Perdida de carga despreciable, por lo que son adecuados para la instalación en
grandes tuberías de suministro.
18
o No presentan obstrucciones al flujo, por lo que son adecuados para la medida
de todo tipo de suspensiones, barros, melazas, etc.
o La señal de salida es lineal.
o Pueden utilizarse para la medida del caudal en cualquiera de las dos direcciones.
o Gran exactitud: típicamente 0.2% o 0.4% del valor medido.
Desventajas.
o Alto costo, para la instalación y el mantenimiento.
o Mano de obra especializada para su instalación, mantenimiento y calibración.
o Requiere cuidados con respecto a la fuente de energía externa que pueden
provocar distorsiones en el funcionamiento normal.
o Necesidad de mantenimiento periódico de los electrodos, pues las partículas
metálicas que son arrastradas por el agua se van adhiriendo e interfiriendo en la
medición.
2.2.3.2. Medidor de Flujo de Agua de Efecto Hall.
El efecto Hall consiste en la generación de una caída de voltaje a través de un conductor o
semiconductor con corriente, bajo la influencia de un campo magnético externo. Utilizando este
efecto se crea un voltaje saliente proporcional al producto entre la corriente y la intensidad de la
componente normal del campo magnético respecto al sensor.
Esta clase de medidores poseen un sensor que funciona a modo de switch
encendido/apagado. Para la producción de voltaje un imán pasa cerca del sensor creando pulsos
altos de voltaje en sus terminales, si el imán se aleja del sensor el voltaje cae a 0V. El imán se halla
19
integrado en el rotor del dispositivo de medición. El medidor de efecto Hall mostrado en la figura
está construido en una base plástica, internamente cuenta con un rotor de agua, y un sensor de
Efecto Hall. El flujo de agua que pasa a través del dispositivo activa el rotor, la velocidad cambia
con la cantidad de líquido que pasa en determinado tiempo. En la ilustración 9 se presenta un
ejemplo del sensor de flujo de efecto Hall.
Ilustración 9. Sensor de flujo de Efecto Hall YF-S201
Fuente: (ELECTRONILAB, 2017)
2.2.3.3. Medidor Ultrasónico de Efecto Doppler.
Los medidores de efecto Doppler son de tipo ultrasónicos que, aplicando el ultrasonido en
el flujo de líquido con partículas, el sonido se reflejará hacia el sensor desde las partículas. La
variación de la frecuencia del sonido reflejado será proporcional a la velocidad con la que viajan
las partículas. De la misma manera que los medidores magnéticos, los medidores de caudal
20
ultrasónicos no presentan obstrucciones al flujo de líquido, no generan pérdidas de carga, por esta
razón son adecuados para su instalación en tuberías de gran tamaño utilizados para el transporte
de agua, donde es primordial que la perdida de carga sea pequeña. La precisión de los medidores
de tipo ultrasónicos alcanza hasta un 0.5%, mientras que en los medidores de tipo magnético llegan
hasta los 0.25% en caudal real. La fácil instalación reduce los costos de implementación y
mantenimiento, además, la medición con pérdidas de carga mínima reduce los costes energéticos.
2.3. Medición Inteligente.
Ingresar en la medición inteligente del agua ofrece el potencial para transformar la
administración del agua. La medición inteligente permite determinar, en tiempo real o casi en
tiempo real, el consumo de agua, y ofrece la posibilidad de leer el consumo local y remotamente.
La Medición Inteligente es una solución que permite leer, procesar y transmitir información
de las cantidades de recurso consumidas o producidas, mediante el uso de equipos electrónicos
programados con funciones específicas, infraestructura de telecomunicaciones y sistemas para la
gestión remota, optimizando el funcionamiento de éstas, contribuyendo a la reducción de costos,
mejorar seguridad y calidad de servicio. Los grandes beneficios de esta tecnología están
principalmente relacionados con cambios conceptuales hacia las nuevas tendencias como son las
redes más inteligentes o Smart Grid.
Los sistemas de medición inteligente deben cumplir con las siguientes características:
Lectura local o remota.
Configuración de sus parámetros de funcionamiento en forma local o remota.
21
Posibilidad de limitación o eventual desconexión remota del usuario.
Capacidad de interactuar con otros dispositivos.
El crecimiento poblacional y la reducción de recursos naturales ha generado la necesidad
del correcto aprovechamiento y ahorro del patrimonio natural especialmente del agua lo cual ha
permitido que se desarrollen sistemas y dispositivos que permiten contabilizar y gestionar el uso
de este recurso.
2.3.1. Medición Inteligente del Agua.
La medición inteligente de agua permite determinar, en tiempo real o casi en tiempo real,
el consumo de agua, y ofrece la posibilidad de leer el consumo local y remotamente.
En el año 2009 se registró que los proyectos de medición de agua inteligente representaron
alrededor del 18% del número total de proyectos de medición inteligente de recursos en todo el
mundo y actualmente el desarrollo de la tecnología para la medición del agua ha evolucionado en
gran media en sector energético. (Thmas Boyle, 2013).
2.3.1.1.Ventajas de la medición inteligente.
Las empresas de suministro pueden detectar fugas, evitar pérdidas de energía, reducir
costos y economizar recursos. Así también las operadoras de redes necesitan desplegar
infraestructura de comunicaciones robustas para interconectar los dispositivos hacia un centro de
gestión.
22
Los consumidores finales pueden acceder a un nuevo tipo de servicio ya que el control del
consumo de agua en una infraestructura inteligente se realiza de forma automática y elimina el
inconveniente de agendar citas para la lectura de medidores. Los usuarios finales aprenden a
utilizar la información de consumo para controlar el uso propio y reducir costos.
La principal ventaja es para el medio ambiente especialmente cuando el agua potable
actualmente tiende a escasear y es un bien preciado. Smart Metering crea una transparencia
constante del consumo y permite el uso sustentable de los recursos naturales
2.4. Electroválvulas para el control del flujo de líquidos.
La electroválvula es un dispositivo que es utilizado para controlar el flujo de líquidos o
gases en una posición completamente abierta o cerrada, este tipo de válvulas entra en modo bajo
(cerrado) por gravedad, presión o por la acción de un resorte; y es activada (abierta) por el
movimiento de un pistón operado por el accionar de un mecanismo magnético de una bobina
energizada eléctricamente, viceversa. Las electroválvulas también son conocidas como válvulas
solenoides y dentro de su estructura cuenta con dos partes accionantes distintas, pero que son
complementarios: un solenoide (bobina eléctrica) y el cuerpo de la válvula.
El electroimán que posee internamente genera las líneas de fuerza que son producidas por
el paso de corriente eléctrica, el campo magnético puede ser creado o eliminado al activar o
desactivar un impulso eléctrico. El electroimán es una bobina de alambre de cobre aislado, el cual
se encuentra enrollado en forma espiral alrededor de un cuerpo cilíndrico. El campo magnético
que se crea es la fuerza motriz para abrir o cerrar la válvula. El cuerpo de la válvula posee un
23
orificio, a través del cual fluye el líquido cuando esta activada. En la ilustración 10 se observa una
electroválvula normalmente cerrada de dos vías.
Ilustración 10. Electroválvula normalmente cerrada de dos vías.
Fuente: (SAPIENSMAN)
2.4.1. Tipos de Electroválvulas.
En la actualidad existe una amplia variedad de electroválvulas, la clasificación se divide de
acuerdo con su aplicación, construcción y forma. De acuerdo con su aplicación las válvulas
solenoides de clasifican en dos tipos: De acción directa, y Operadas por piloto.
Por la construcción se dividen en: normalmente cerradas, normalmente abiertas, y de acción
múltiple. Por la forma, existe tres tipos: de dos vías, de tres vías, y de cuatro vías o reversibles.
24
2.4.1.1. Acción directa.
Las electroválvulas de acción directa se utilizan con elementos de baja capacidad y puertos
de tamaño pequeño. El émbolo (pistón que controla el flujo de líquido) está conectado
mecánicamente a la aguja de la válvula. Al aplicar electricidad a la bobina, el émbolo se eleva
hacia el centro de esta, levantando la aguja. Puesto que, para operar, este tipo de válvula depende
únicamente de la potencia del solenoide, para un diferencial de presión determinado, el tamaño de
su puerto está limitado por el tamaño del solenoide. Por esta razón no es posible utilizar en sistemas
de gran tamaño.
Las siguientes fuerzas actúan sobre una válvula de solenoide para mantenerla cerrada o
abierta y fluyendo.
Cuando está cerrada:
o La presión interna empuja al émbolo hacia abajo al orificio.
o La gravedad jala al émbolo hacia abajo al orificio. En algunas válvulas, la
presión de un resorte también ayuda a mantenerlas cerradas.
o La diferencia de presión en la entrada y en la salida, mantiene al émbolo sobre
el orificio. Nota: Mientras más grande es el diferencial de presión entre la
entrada y la salida, más difícil es abrir la válvula.
Cuando está abierta:
o El flujo interno que pasa a través del orificio ayuda a mantener al émbolo
abierto.
o La atracción magnética sostiene arriba al émbolo
25
2.4.1.2.Operadas por piloto.
Las electroválvulas accionadas por piloto utilizan una combinación de la bobina solenoide
y la presión misma del fluido. La presión del líquido mantiene cerrado un pistón flotante contra el
puerto principal, aunque en algunos modelos de válvulas puede ser un diafragma. Existe tres tipos
de válvulas accionadas por piloto: pistón flotante, diafragma flotante, diafragma capturado.
Para accionar émbolo se energiza la bobina, el cual acciona el pistón hacia el centro de la
bobina, abriendo el orificio del piloto, al realizar esta acción, la presión retenida en la parte superior
del pistón se libera a través del orificio del piloto, originado un desbalance de presión que permite
abrir el puerto principal como se indica en la ilustración 11.
Ilustración 11. Válvula de solenoide operada por piloto, normalmente cerrada
Fuente: (SAPIENSMAN)
26
2.5. Hardware Libre
Hardware libre permite a los usuarios crear aparatos electrónicos de forma abierta y
compartir la información de diseño manera que todas las personas puedan acceder a los planos
esquemáticos, PCB y Gerber para la construcción de los dispositivos como son los, como parte del
mismo concepto de software libre que posibilita a los desarrolladores cuatro libertades: libertad de
uso, de estudio y modificación, de distribución, y de redistribución en versiones con mejoras
integradas.
2.5.1. Clasificación del Hardware Libre.
2.5.1.1.Hardware Estático.
Es el conjunto de componentes de un dispositivo electrónico no reconfigurable. Este tipo
de hardware se caracteriza por ser físicamente único, es decir, tiene una existencia material (se
puede “tocar”). Es el más común y se caracteriza por estar limitado por su propia existencia física.
No podemos copiarlo con facilidad ni distribuirlo, en este tipo de componentes no se puede aplicar
directamente las cuatro libertades del software libre al hardware debido a que su naturaleza es
diferente. Uno posee existencia física, el otro no. Por tal razón se presentan los siguientes
problemas.
a) Un diseño físico es único.
La construcción de una placa es única, por tal motivo para que oro usuario la pueda
utilizar, se debería compartir la placa física o también puede construir su propia
27
placa con similares características. A causa de estas razones no es posible aplicar la
lógica de compartición del software.
b) La compartición tiene asociado un coste.
Para utilizar el hardware compartido el primer paso es fabricarlo para lo cual se
compra los diferentes componentes a utilizar en el dispositivo. Además, se debe
realizar las diferentes pruebas de funcionamiento.
c) Disponibilidad de los componentes.
Al fabricar un diseño compartido se tiene el inconveniente de que los materiales no
existen en el país donde se está construyendo el diseño.
Algunos de los desarrollos de mediana y alta complejidad de diseño considerados open
hardware son: BeagleBoard - - FPGALibre - - Arduino – Ledtoy – Iearobotics – Simputer - The
Handy Board - LART - Linux Advanced Radio Terminal - The Balloon Project – OpenHardware
– Itsy - TARJETA JPS-XPC84: Entrenadora para FPGA - TARJETA CT6811. (Ramiro Anrango,
2014)
2.5.1.2.Hardware reconfigurable.
Es aquel que viene descrito por mediante un lenguaje de descripción de hardware
(Hardware Description Languaje) y un sistema de base reconfigurable (Field Programable Gate
Array) que permite especificar los detalles de la estructura y funcionalidad. Es lo contrario a
Hardware estático y se desarrolla de forma similar al software libre. Los diseños son ficheros de
28
textos (código ASCII) que contienen el código fuente, la descripción de la estructura del diseño y
el comportamiento de las partes que componen el dispositivo. Se le puede aplicar directamente
una licencia libre, como la GPL. (Toledo)
Los lenguajes de descripción de hardware (HDL) permiten registrar las interconexiones y
el comportamiento de un circuito electrónico, sin utilizar diagramas esquemáticos. Se pueden crear
librerías de componentes que luego se usan en diseños más avanzados y complejos.
Las FPGAs son circuitos programables por los desarrolladores que contienen bloques
configurables de lógica con el fin de ejecutar distintas tareas, estos dispositivos pueden ser
reprogramados el número de veces que el usuario lo requiera. Las características fundamentales
de las FPGAs es que son dispositivos universales, es decir que se pueden “convertir'' en cualquier
diseño digital, según el bitstream que se cargue en su memoria de configuración.
2.6. Software Libre
El software libre se refiriere a la libertad que tiene un usuario para ejecutar, copiar,
distribuir y modificar un software sin que ninguna compañía o individual pueda emprender
acciones legales contra él. (Hernandes, 2005)
Para que un software pueda ser considerado libre tiene que cumplir unas reglas establecidas
que aseguren que sigue la filosofía del software libre, una especie de mandamientos. Se les llama
las cuatro libertades, y son:
Usar el programa, para cualquier propósito.
29
Estudiar el funcionamiento del programa, y adaptarlo a sus necesidades. El acceso
al código fuente es una condición previa.
Distribuir copias con el fin de ayudar a otros usuarios.
Mejorar el programa, y poner sus mejoras a disposición del público, para el
beneficio de toda la comunidad.
De esta forma, un usuario posee la libertad para modificar el código fuente del software,
mejorarlo y adaptarlo a las necesidades que tenga, sin recurrir en gastos por derecho de propiedad.
Después de haber realizado los cambios puede distribuir copias del software libremente. Para
mantener la idea del software libre, si distribuye un software modificado debe seguir cumpliendo
las cuatro libertades y proporcionar el código fuente. Esto está protegido por el copyleft.
El copyleft es una normativa que obliga a todas las distribuciones de un software cumplan
las cuatro condiciones de uso de software libre. Esta regla es lo opuesto al copyright, ya que no
protege los derechos del autor, protege las libertades de todos los usuarios para ejecutar,
modificar y distribuir ese software sin restricciones.
Las diferentes plataformas y sistemas operativos basados en software libre presentes en el
mercado ofrecen un gran potencial para realizar desarrollos gracias a la libertad que brinda para
efectuar los cambios en el diseño o en los códigos, las modificaciones que se hace a estos sistemas
son de acuerdo a las necesidades que tiene el usuario con el fin de solucionar sus necesidades.
30
2.6.1. Software libre vs Software propietario.
Al adquirir un software propietario generalmente el usuario recibe una copia de un
programa ejecutable más una licencia que permite ejecutar dicho software. La licencia es solo una
puerta para ejecutar el programa, ya que el software en si sigue perteneciendo a la empresa que lo
desarrollo. De esta forma la empresa se asegura que su producto no sea modificado y en cada
actualización siguen cobrando por las licencias de activación. Por lo contrario, en las plataformas
de software libre se obtiene la libertad para ejecutar el programa y opción de poder modificar el
contenido del programa y adaptarlo a nuestras necesidades.
Un programa propietario dentro de su paquete ofrece el soporte de servicio técnico para
solventar los problemas que los usuarios presentan al momento de instalación o uso de las
plataformas lo cual es bueno para solucionar los problemas pequeños, ya que cuando se trata de
realizar alguna modificación al algoritmo del programa, esto es debido a que ni los mismos
técnicos manejan el código fuente de los programas.
2.6.2. Plataformas de software libre para desarrollo.
En esta sección se presenta algunos ejemplos de plataformas de desarrollo basados en
software libre.
2.6.2.1. IDE de Arduino.
El entorno de programación de Arduino es una plataforma informática grafica en la cual se
realiza los diferentes programas para la tarjeta electrónica Arduino, consta de un editor de código,
un compilador, un depurador y un constructor de interfaz gráfica (GUI). Además, para la facilidad
31
Ilustración 12: IDE de Arduino
Fuente: (ADAFRUIT, 2015)
de uso incorpora las herramientas para cargar el programa ya compilado en la memoria flash del
hardware. En la ilustración 12 se muestra el IDE de desarrollo.
Ventajas del IDE de Arduino.
Tiene un lenguaje simple, basado en C/C++.
Permite desde un primer contacto estar programando directamente el hardware.
Es un proyecto open-source, por lo que debido a su precio podemos probar y experimentar
sobre la misma tarjeta.
Tiene una comunidad de desarrollo alrededor que permite un acceso a referencias,
ejemplos, proyectos de gran ayuda.
2.7. Internet de las cosas (IoT)
La evolución de la Internet y de las tecnologías en los dispositivos electrónicos ha
permitido nacimiento a un nuevo concepto donde los objetos (electrodomésticos, sensores,
32
dispositivos electrónicos) que están cargados con algún tipo de inteligencia se conectan con otros
objetos intercambiando datos en cualquier momento y lugar a través de Internet. Por tales razones
la IoT actualmente se presenta como una verdadera evolución en la comunicación incorporando
una interconectividad más extensa, una mejor recolección de la información y servicios más
completos gracias a la interacción entre objetos. En la ilustración 13 se presenta un esquema de
IoT.
Ilustración 13. Conexión IoT.
Fuente: (VEGA, 2016)
La Internet de las Cosas está constituyéndose en un avance tecnológico de gran impacto
para la sociedad y el mundo tecnológico. La tecnología inalámbrica ha permitido desplegar nuevas
formas de acceso a la red, para la comunicación de hombre a hombre, hombre a máquina, y
máquina a máquina. En la interconexión de máquina a máquina no interviene el ser humano en la
interpretación de la información, los dispositivos recolectan los datos mediante los sensores
conectados a los mismos y posteriormente envían los datos a otro equipo donde se interpreta la
información, finalmente el equipo envía otro tipo de datos hacia el dispositivo recolector de datos
33
para que realice algún tipo de tarea. Este tipo de tecnología permite utilizar una gran variedad se
sensores que miden todo lo que es posible medir. Al implementar en los objetos la capacidad de
comunicarse, se está generando información en cantidades muy grandes, posibilitando a diferentes
al nacimiento de nuevas formas de negocio.
2.7.1. Aplicaciones del internet de las cosas: Monitoreo Remoto de Sensores.
La conexión de objetos a la Internet abrió extensas posibilidades en el desarrollo de nuevas
aplicaciones y dispositivos tecnológicos para aprovechar toda la capacidad que presenta esta nueva
tendencia. Los sensores y objetos conectados a la Internet se muestran en la ilustración 15.
Ilustración 14. IoT conexión de dispositivos y sistemas a la Internet
Fuente: (M2M, 2016)
En la actualidad el aprovechamiento eficiente de los recursos energéticos es un desafío para
el mundo, para lo cual se utiliza diferentes tecnologías para ahorrar o usar eficientemente los
recursos de la naturaleza. El agua es uno de los principales recursos naturales que el ser humano
34
necesita para su diario vivir, y para tener eficiencia en el consumo es necesario aplicar sistemas
que monitoricen el consumo.
La combinación de diferentes tecnologías como sistemas de sensores e Internet facilitan
desplegar plataformas de monitoreo remoto para obtener información detallada del uso del
mencionado recurso y así posteriormente realizar acciones basadas en la información
proporcionados por los diferentes sensores colocados en las infraestructuras de distribución de las
empresas comercializadoras de agua.
2.7.2. Protocolo MQTT
Los dispositivos que funcionan bajo las plataformas de IoT necesitan un protocolo
adecuado para trabajar entre ellos es decir de dispositivo a dispositivo. El protocolo de red utilizado
para este fin es TCP/IP. MQTT (Message Queue Telemetry Transport), que está construido sobre
la pila de TCP/IP, se ha convertido en el estándar para las comunicaciones de IoT. Su objetivo es
ofrecer una plataforma de comunicación ligera basada en publicación/suscripción permitiendo
implementarse en hardware de dispositivos altamente limitados y en redes con ancho de banda de
alta latencia/limitado. (Ferreras, 2016).
El funcionamiento de esta plataforma depende de un software llamado Broker, este
programa se encarga de hacer llegar a los clientes los mensajes a los cuales se han suscrito. Al
establecerse la conexión con el Broker se puede realizar publicaciones o suscripciones sin
problema. La visualización de los mensajes es de estilo JSON (JavaScript Object Notation) lo que
permite la recepción e interpretación de mensajes de forma sencilla y clara. En la ilustración 15 se
observa la forma de publicación y suscripción de mensajes enviados por un sensor IoT.
35
Ilustración 15. Diagrama de envió de datos en el protocolo MQTT
Fuente: (Yuan, 2017).
MQTT muestra cómo se organizan los bytes de datos y cómo se transmiten a través de la
red TCP/IP. El mensaje que viaja a través de la internet contiene una carga útil de datos y un
comando, el comando define el tipo de mensaje puede ser un mensaje CONNECT o un mensaje
SUBSCRIBE. Las bibliotecas y herramientas de MQTT permiten manipular directamente esos
mensajes y pueden rellenar automáticamente algunos campos obligatorios, como los IDs del
mensaje y del cliente. (Yuan, 2017)
El cliente envía un mensaje CONNECT al intermediario con el cual pide establecer una
conexión desde el cliente hacia el intermediario. El mensaje CONNECT tiene los siguientes
parámetros de contenido. En la tabla1 se muestra los parámetros del mensaje CONNECT.
Tabla 1. Parámetros del mensaje CONNET.
Parámetro Descripción
CleanSession Este identificador especifica si la conexión es persistente o no. Una sesión
persistente almacena todos los mensajes de la suscripción y los que
potencialmente se han perdido (dependiendo de QoS) en el intermediario.
36
Nombre de
usuario
Solicita el nombre se usuario.
Contraseña La autenticación del intermediario y las credenciales de autorización.
lastWillTopic Cuando una conexión se cae de forma inesperada, el intermediario publica
automáticamente un mensaje de "última voluntad" en un tema.
lastWillQos El mensaje de "última voluntad" en QoS.
lastWillMessage El propio mensaje de "última voluntad".
keepAlive Este es el intervalo de tiempo para que el cliente compruebe la
disponibilidad del intermediario para mantener la conexión viva.
Fuente: (Yuan, 2017)
En respuesta el cliente recibirá un mensaje de respuesta CONNACK del intermediario. El
mensaje CONNACK tiene los siguientes parámetros de contenido. La tabla 2 presenta los
parámetros del mensaje de respuesta CONNACK.
Tabla 2. Parámetros CONNECTACK.
Parámetro Descripción
sessionPresent Esto indica si la conexión ya tiene una sesión persistente. Esto significa que
la conexión ya tiene temas a los que se ha suscrito, y que recibirá la entrega
de los mensajes que faltan.
returnCode 0 indica éxito. Otros valores identifican la causa de la falla. Fuente: (Yuan, 2017).
Posterior a establecerse una conexión, el cliente puede enviar al intermediario uno o más
mensajes SUBSCRIBE para indicar que recibirá mensajes del intermediario para determinados los
temas. Esos mensajes pueden tener una o varias repeticiones de los siguientes parámetros. En la
tabla 3 se visualiza los parámetros del mensaje SUBSCRIBE
37
Tabla 3. Parámetros del mensaje SUSCRIBE
Parámetro Descripción
QoS El indicador QoS (calidad de servicio) indica la consistencia con la que los
mensajes de este tema se tienen que entregar a los clientes.
Valor 0: No confiable, el mensaje se entrega como mucho una vez, si el cliente
no está disponible en ese momento se perderá el mensaje.
Valor 1: el mensaje se debería entregar al menos una vez.
Valor 2: el mensaje se debería entregar exactamente una vez.
Tema Un tema al que suscribirse. Un tema puede tener varios niveles separados por el
carácter de barra diagonal. Por ejemplo: "dw/demo" y "ibm/bluemix/mqtt" son
temas válidos. Fuente: (Yuan, 2017)
Después de que un cliente se haya suscrito correctamente a un tema, el intermediario
devuelve un mensaje SUBACK con uno o más parámetros "returnCode". La Tabla 4 muestra los
parametros de un mensaje SUBACK.
Tabla 4. Parámetro mensaje SUBACK.
Parámetro Descripción
ReturnCode En el comando SUBCRIBE existe un código de retorno para cada uno de los
temas. Los valores de retorno son los siguientes.
Valores 0 - 2: éxito con el nivel de QoS correspondiente. (Vea Tabla 3 para saber
más acerca de QoS.)
Valor 128: falla. Fuente: (Yuan, 2017)
El mensaje salir del SUBSCRIBE, se utiliza para abandonar la suscripción
(UNSUBSCRIBE) de un tema o de varios. La tabla 5 presenta los parámetros de jun mensaje
UNSUBSCRIBE.
Tabla 5. Parámetros UNSUBSCRIBE.
Parámetro Descripción
Tema Este parámetro se puede repetir para varios temas.
Fuente: (Yuan, 2017).
38
El cliente puede enviar mensajes PUBLISH al intermediario. El mensaje contiene un
tema y una carga útil de datos. Después, el intermediario redirige el mensaje a todos los clientes
que están suscritos a ese tema. La tabla 6 muestra los parámetros de un mensaje PUBLISH.
Tabla 6. Parámetros del mensaje PUBLISH
Parámetro Descripción
TopicName El tema en que se publica el mensaje.
QoS La calidad del nivel de servicio de la entrega del mensaje. (Vea Tabla 3 para
obtener una descripción de QoS.)
RetainFlag Este indicador indica si el intermediario retendrá el mensaje como el último
mensaje conocido para este tema.
Carga útil Los datos reales que hay en el mensaje. Puede ser una cadena de texto o una
bola binaria de datos. Fuente: (Yuan, 2017)
2.8. Tecnología de acceso Inalámbrico.
Los sistemas de comunicación inalámbricos en la actualidad ofrecen grandes ventajas
frente a los tradicionales sistemas cableados, la principal característica es la movilidad, no
depender de un cable, es decir que los dispositivos se comunican utilizando como medio de
transmisión el espacio-aire. El acceso a la Internet de manera sencilla es otro de los beneficios de
esta tecnología, que permite a los dispositivos móviles como celulares, laptops, tables, módulos
inalámbricos y una variedad de equipos conectarse a la red, posibilitando que las personas y
maquinas se conecten desde cualquier punto y en cualquier momento. Dado lugar al desarrollo de
nuevos servicios y aplicaciones para satisfacer las necesidades que nacen con la utilización de estas
tecnologías.
39
Actualmente, existen gran variedad de sistemas de conexión inalámbrica, pero en el ámbito
de acceso a la internet en redes WLAN la tecnología Wi-Fi está colocándose como la principal
herramienta, ya que posibilita la conexión móvil a un coste muy asequible.
2.8.1. Tecnología Wi-Fi.
La tecnología Wi-Fi en la actualidad es la más utilizada en redes WLAN gracias a que
ofrece mayor cantidad de beneficios a un costo bajo en relación con otras tecnologías inalámbricas.
Es económica, interoperable con equipos de diferentes fabricantes y puede ser extendida para
ofrecer funcionalidades mucho más allá de las previstas originalmente por los fabricantes. La base
de esta plataforma se encuentra especificada por el Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos
(IEEE), en su estándar 802.11
Esto se debe a que Wi-Fi utiliza estándares abiertos: enrutadores, tablets, PCs, laptops,
teléfonos, módulos inalámbricos Wi-Fi que pueden interoperar porque todos se adhieren al
estándar 802.11. Las tecnologías específicas utilizadas por los equipos incluyen 802.11a, b, g, y n.
802.11n fue ratificado por IEEE en septiembre 2009, es un estándar muy reciente.
2.8.1.1.Estándar IEEE 802.11.
IEEE 802.11 es un estándar para redes inalámbricas definido por la IEEE (Institute of
Electrical and Electronics Engineers), define la forma de interconexión de estaciones dentro de un
área de red utilizando como medio de transmisión el aire; éste fue publicado en 1997, en las
primeras versiones se alcanzaba tasas de bit de 1-2 Mbps en la banda de frecuencia ISM de
2.4GHz. (Industrial, Scientific and Medical).
40
En la tabla 7, se listan las diferentes versiones existentes para el estándar 802.11, en cada
mejora realizada se incrementó alguna característica de esta tecnología, tales como velocidad,
cobertura, seguridad, y más funciones. En tabla 7 se presenta las diferentes variaciones del
protocolo 802.11.
Tabla 7. Estándares IEEE 802.11.
Estándar Frecuencia de
trabajo(GHz)
Tasa de
transmisión(Mbps)
Técnica de modulación.
802.11 2.4 1-2 FHSS-DSS
802.11a. 5 54 OFDM
802.11b. 2.4 11 DSS
802.11c. Provee de documentación a la 802.11 sobre procedimientos
específicos MAC de la Organización Internacional para la
Comisión Electrónica de Estandarización Internacional (ISO/IEC).
802.11d. Desarrollado para definir nuevos requerimientos para la capa
física para hacer funcionar la 802.11 en otros países donde no es
posible implementar 802.11, por no tener la banda de 2.4 GHz libre
o ser más corta.
802.11e. Este grupo trabaja la calidad de servicio (QoS o Quality of
Service). En las redes de datos, calidad de servicio permite asignar
prioridad de transmisión a uno o varios paquetes de datos que a
otros, dependiendo de la naturaleza de la información (voz, vídeo,
imágenes, etc.).
41
802.11f. Básicamente, es una especificación que funciona bajo el estándar
802.11g y que se aplica a la intercomunicación entre puntos de
acceso de distintos fabricantes, permitiendo el roaming o
itinerancia de clientes.
802.11g. Es una extensión de la 802.11b, higherspeed PHY, capaz de
mantener la compatibilidad con la 802.11b. Opera a una velocidad
de 54 Mbps
802.11h. Una evolución del IEEE 802.11a que permite asignación dinámica
de canales y control automático de potencia para minimizar los
efectos de posibles interferencias
802.11i. Este estándar permite incorporar mecanismos de seguridad para
redes inalámbricas, ofrece una solución interoperable y un patrón
robusto para asegurar datos. Mejora los mecanismos de
autenticación y seguridad de la 802.11, como es WEP. El sistema
sobre el que se está trabajando se conoce como TKIP (Temporal
Key Integrity Protocol).
Fuente: (YUNQUERA, 2010)
Las bandas de frecuencia utilizadas por la mayoría de las redes inalámbricas y
especialmente por los equipos Wi-Fi son las de 2,4 y 5 GHz, que están clasificadas como uso
común compartido. La caracterización como uso común permite que diversos operadores o
usuarios puedan utilizar de forma simultánea estas frecuencias, de acuerdo con unas normas
establecidas por la regulación para mitigar las posibles interferencias entre emisiones. Los equipos
42
Wi-Fi poseen 14 canales en los cuales pueden emitir sus señales, de los cuales 3 canales no están
solapados es decir que no poseen interferencia de los canales que lo limitan. En la ilustración 16
se muestra la distribución de los canales de transmisión de una red Wi-Fi.
Ilustración 16. Canales de transmisión de un dispositivo Wi-Fi.
Fuente: (DroidPanic, 2013)
Los componentes básicos de una red Wi-Fi son:
• El punto de acceso (AP): es la unión entre las redes con cableado y la red Wi-Fi, o entre
diversas zonas cubiertas por redes Wi-Fi, que actúa entonces como repetidor de la señal
entre estas zonas (celdas).
• Unas o más antenas conectadas al punto de acceso.
• Un terminal Wi-Fi. Éste puede tener forma de dispositivo externo inalámbrico, que se
instala en la PC del usuario, o bien puede encontrarse ya integrado, como sucede
habitualmente con los ordenadores portátiles. Adicionalmente se pueden encontrar otros
terminales con capacidad de comunicación, como agendas electrónicas (PDA) y teléfonos
móviles, que disponen de accesorios (internos o externos) para conectarse a redes Wi-Fi.
43
2.8.2. Módulos de desarrollo electrónicos con dispositivos Wi-Fi-integrados
2.8.2.1.Modulo Inalámbrico ESP8266.
El módulo ESP8266 es un chip altamente integrado y diseñado para las necesidades de un
nuevo mundo conectado. Ofrece una solución completa y autónoma en las redes Wi-Fi, lo que le
permite ya ser la parte inteligente de una aplicación o bien descargar todas las posibilidades de una
red Wi-Fi para interactuar desde otro procesador de aplicaciones. ESP8266 tiene potentes
capacidades de procesamiento y almacenamiento que le permiten integrarse con sensores y
dispositivos específicos de la aplicación a través de sus GPIO’s con un desarrollo mínimo y
realizando grandes aplicaciones incluso en tiempo de ejecución.
Características.
Normas de Certificación: FCC/CE/TELEC. Estándar inalámbrico: 802.11 b/g/n.
Rango de frecuencia: 2.4 GHz a 2.5 GHz. Interfaz de datos: UART / HSPI / I2C /
I2S / Control IR/ GPIO / PWM.
Tensión de Operación: 3.0 ~ 3.6V (3.3V recomendación).
Corriente de trabajo: En promedio 80mA.
Temperatura de Operación: - 40° ~ 125°.
Temperatura de almacenamiento: Temperatura Ambiente.
44
Ilustración 17: Modulo Wi-Fi RTL 8710.
Fuente: (Gadgets, 2017)
2.8.2.2. Módulo Wi-Fi RTL8710
El dispositivo inalámbrico de alto rendimiento Realtek 8710 posee grandes ventajas para
los desarrolladores de plataformas móviles con grandes características de procesamiento, menor
costo, disponibilidad lo que brinda grandes posibilidades para comunicación Wi-Fi con otros
sistemas. En la ilustración 17 se muestra el módulo Wi-Fi RTL 8710 de la marca Realtek.
El RTL 8710 puede trabajar de forma independiente como un dispositivo de red Wi-Fi, así
como también se lo utiliza como máquina esclava para colocarse en otro host MCU. El Realtek
8710 puede ejecutar directamente las aplicaciones desde una memoria flash externa como la única
aplicación corriendo en el equipo. Su memoria caché integrada mejora rendimiento del sistema y
reduce los requerimientos de memoria en él dispositivo. Otra aplicación para el Realtek 8710 es
configurarlo como acceso inalámbrico a Internet, para que realice la tarea del adaptador Wi-Fi, se
puede agregar a cualquier desarrollo basado en microcontrolador solo a través de una conexión
simple con interfaz SPI / SDIO o puerto I2C / UART.
Realtek 8710 posee una potente capacidad de procesamiento y almacenamiento On chip,
por esta razón hace que se pueda integrar sensores a través del Puertos GPIO y otras aplicaciones
45
con equipos específicos, que se da cuenta del costo más bajo en preliminar desarrollo y la más
reciente ocupación de los recursos del sistema
Características
802.11 b/g/n ,CMOS MAC
Protocolo TCP/IP
MO、2x1 MIMO
Wi-Fi a 2.4 GHz, Soporte WPA/WPA2
Soporte STA/AP/STA+AP
Comunicación HSPI, UART, I2C, I2S, control remoto IR, PWM, GPIO
Corriente de Stand by10 uA, corriente de apagado 5 uA
802.11b, señal de salida 17 dBm
Temperatura de operación: - 20℃ a 85℃
2.8.3. NODE MCU ESP E12
El módulo ESP-12E es una placa de desarrollo de código abierto fabricado por Ai-Thinker
Team basado en el chip ESP8266 que utiliza el lenguaje de programación LUA (Lenguaje de
programación imperativo, estructurado. Luna en portugués) para generar ambientes de trabajo más
amigables con los usuarios, este MCU (Micro Controler Unit) de 32 bits es de bajo consumo
energético lo le permite ser favorito en el mercado. La velocidad de reloj es compatible con 80
MHz, 160 MHz, además integra un módulo Wi-Fi integrado, antena de emisión de señal
inalámbrica, entradas / salidas analógicas y digitales y varias funcionalidades más. El módulo
46
opera bajo el estándar IEEE802.11 b / g / n, con los protocolos TCP / IP. Los usuarios pueden
agregar los módulos a cualquier red de datos existente, o construir una de red información
independiente. ESP8266 es SOC inalámbrico de alta integración, diseñado para diseñadores de
plataformas móviles con limitaciones de espacio y energía. Proporciona una capacidad insuperable
para incorporar funciones de Wi-Fi dentro de otros sistemas, o para funcionar como un dispositivo
independiente aplicación, con el menor costo y el requisito de espacio mínimo. (Anxinke).
La plataforma de programación que utiliza esta placa es el IDE de Arduino con lo cual
facilita el desarrollo de diversos prototipos en base a la información que posee Arduino, además
los diversos sensores son compatibles por tal razón ofrece gran aplicación en diferentes campos.
Ilustración 18. Placa NodeMCU ESP E12
Fuente: (Panamahitec).
Características.
Voltaje de entrada (USB): 5V.
Voltaje de salida en los pines: 3.3V
Voltaje de referencia en el ADC: 3.3V
Corriente nominal por pin: 12mA
47
Frecuencia de procesador: 80MHz (160MHz max.)
4MB Flash
Consumo de corriente en stand-by @80MHz: 80mA
Consumo de corriente al recibir una petición (librería WebServer en modo de punto de
acceso) a 80MHz: 90mA
Consumo de corriente al utilizar HTTPClient.get() @ 80 MHz: 100-110mA
Consumo de corriente en stand-by a 160MHz: 90mA
Consumo de corriente al recibir una petición (librería WebServer en modo de punto de
acceso) @ 160MHz: 90-100mA
Consumo de corriente al utilizar HTTPClient.get() @ 160 MHz: 100-110mA
48
Capítulo 3. Diseño
El capítulo contiene el análisis de los diferentes componentes a utilizarse en el proyecto y
descripción de las características y modo de operación de los dispositivos a utilizarse en el
desarrollo del sistema, tomando en cuenta cada una de las variables y parámetros necesarios para
alcanzar el objetivo planteado. Dentro de la realización del diseño se presenta la elaboración de la
situación actual de la administración de agua por parte de la Junta de Agua El Abra con los cual
se visualiza los beneficios y limitaciones del sistema.
3.1. Descripción General del Sistema.
El proyecto se enfoca en el diseño e implementación de un sistema de medidores de agua
digitales e inteligentes en la Junta de Agua El Abra con la finalidad de realizar un control y gestión
adecuado del recurso que provee a la comunidad del mismo nombre. En la ilustración 19 se
visualiza la ubicación de la Comunidad “El Abra” y la Junta Administradora de Agua.
Ilustración 19. Ubicación comunidad de “El Abra"
Fuente: El autor.
49
Se desarrollará un sistema donde se incluye el dispositivo electrónico y la plataforma de
gestión de mismo, el sistema estará integrado por sensores de flujo para medir el líquido, la
electroválvula para cerrar o abrir el paso de agua, un módulo Wi-Fi para la comunicación con
el interfaz de gestión.
Las características fiscas y técnicas de cada elemento a utilizarse en el desarrollo del proyecto
serán analizados de acuerdo con los parámetros de medición que se aplique, los sensores de
flujo de efecto Hall tienen sus características especiales como son: el tamaño, la capacidad
máxima de líquido que puede pasar a través de su interior. La electroválvula dentro de sus
características contará la capacidad máxima de presión que trabaja, el tipo de cerrado y el
consumo energético. Las propiedades de módulos de comunicación son el alcance y la
capacidad de conexión hacia la internet para la transmisión de datos. El sistema de gestión y
almacenado de datos debe ser amigable con el administrador del sistema proveyéndole la
capacidad de realizar la lectura de datos de los medidores, activar y desactivar la electroválvula
y realizar el almacenamiento de información de las mediciones. En la ilustración 20 se presente
el diagrama general del sistema propuesto.
Ilustración 20. Diagrama de comunicación del sistema
Fuente: Autor.
50
La gestión del sistema de medidores se realizará a través de una plataforma que permitirá
ejecutar las diferentes acciones especificadas en los objetivos, mediante este sistema se
proporcionará a los dirigentes de la junta administradora la capacidad de reducir los tiempos de
atención a los clientes y cobro de cantidades exactas de consumo de agua.
3.2.Análisis de la situación actual.
Para el análisis de la situación actual se realizó la recopilación de información que permita
delimitar las diferentes características en el diseño del sistema y de esa forma desarrollar un
proyecto acorde a las necesidades y objetivos planteados, la mayor parte de información
proporcionada fue por parte de la Junta Administradora de Agua y los usuarios de la comunidad
“El Abra”.
La Junta Administradora es una organización que es dirigida por personas elegidas por los
moradores de la comunidad en asamblea general, las autoridades son: presidente, vicepresidente,
secretario, tesorero y 2 vocales. La autoridad principal es el presidente el cual realiza las gestiones
respectivas en benéfico de la organización, el vicepresidente trabaja conjuntamente con las
autoridades del agua, el secretario registra toda la información que se genera en la organización,
el tesorero es la persona encargada de llevar los registros de las cantidades de consumo obtenidas
en los medidores, los vocales trabajan en función de las tareas que se les encomiende desde la
presidencia u otra autoridad. En la ilustración 21 se muestra las autoridades de la junta
Administradora de Agua.
51
Ilustración 21. Autoridades de la Junta Administradora de Agua
Fuente: El Autor.
El aprovechamiento del recurso hídrico que nace en las faldas del volcán Imbabura, se
realiza el estancamiento del agua con un muro de concreto el cual retiene el líquido para que se
canalice hacia la captación. En la ilustración 22 se muestra la toma de agua que se ha construido
para canalizar el líquido hacia los tanques “rompe presión”, de filtrado y tratamiento. En la parte
izquierda de la imagen se observa las tomas de agua y en la parte derecha se visualiza el excedente
de agua que sigue el curso del río para que sea aprovechado por otras comunidades aledañas. Es
importante mencionar que el recurso de la fuente de agua es compartida con 3 comunidades que
poseen sus tomas independientemente para evitar conflictos de distribución.
52
Ilustración 22. Captación de agua de las faldas del volcán Imbabura
Fuente: El Autor.
Luego de realizarse la captación el agua es canalizada hacia los tanques de “rompe presión”
donde se filtra las primeras impurezas que ingresas por las tuberías de la captación. En la
ilustración 23 de muestra un tanque rompe presión. Además, estos tanques se utilizan para verificar
que el agua está llegando con caudal necesario para abastecer a la comunidad.
Ilustración 23. Tanques “rompe presión”
Fuente: El Autor.
53
Siguiendo el sistema de canalización, el agua es transportada mediante tuberías soterradas
hacia el tanque de tratamiento donde se realiza el filtrado de impurezas y la purificación con cloro,
con un sistema de piscinas de arena se filtra el líquido y posterior se transporta a los tanques de
distribución. En la ilustración 24 se muestra el tanque de filtrado y purificación.
Ilustración 24. Tanque de filtrado y purificación de agua
Fuente: El Autor.
Después de pasar por el proceso de filtrado y purificado el agua se divide hacia los tanques
de distribución, de donde se envía a otros depósitos pequeños ubicados en el resto de la
comunidad. La red de distribución se conecta hacia todos los domicilios de la comunidad
desde estos tanques. La ilustración 25 se visualiza un tanque de distribución el cual cuenta
con sistema de cerrado con válvula flotante para evitar cierres de flujo por personas ajenas
a la administración.
54
Ilustración 25. Tanque de distribución
Fuente: El Autor.
En la actualidad el proceso de medición de la cantidad de consumo del agua en los
domicilios se lo realiza utilizando los medidores tipo mecánicos que marcan las cantidades
consumidas en metros cúbicos. Los medidores están ubicados en cada uno de los domicilios
dependiendo de los socios adheridos a la Junta de Agua, una persona que no es socio no cuenta
con el servicio de agua así sea morador de la comunidad. La ilustración 26 indica el medidor se
agua que se usa en la actualidad.
Ilustración 26. Medidor de agua colocados en cada domicilio
Fuente: El Autor.
55
El consumo de agua que realizan los clientes se registra en cada mes por tal razón una
persona delegada por las autoridades de la junta recorre toda la comunidad anotando las cantidades
marcadas en cada medidor, en la ilustración 27 se observa a un dirigente realizando el registro de
la cantidad de consumo marcada en el medidor.
Ilustración 27. Dirigente de la Junta de Agua realizando el registro de la cantidad de agua consumida en un domicilio
Fuente: El Autor.
El registro de los datos obtenidos se lo realiza de diferentes formas puede ser en un
cuaderno, hojas sueltas, o una libreta. Esto depende de la persona que ejecuta el dicho proceso, por
tal razón no se cuenta con un archivo de las anotaciones, en algunos casos se pierden dichos
documentos y necesariamente se debe efectuar de nuevo el recorrido hacia los domicilios.
En la ilustración 28 se visualiza el registro de consumo que posee cada cliente, en la primera
columna se tiene el valor de la lectura anterior y la segunda columna es la última lectura realizada.
56
Ilustración 28. Documento de registro de consumo de agua
Fuente: Junta Admiradora de Agua.
El siguiente paso es el cálculo de los valores en metros cúbicos y el valor económico que
cada usuario posee dentro de un mes, esta operación lo realiza el tesorero de la Junta. Esta
información es delicada ya que el dirigente lleva un cuaderno de cuentas específico para esta
actividad. Dentro de este, se elabora una matriz donde se maneja la siguiente información: el
nombre del usuario, la cantidad inicial, cantidad final de consumo, cantidad de agua consumida y
el valor monetario a pagar. El valor monetario se calcula de la siguiente forma: los metros cúbicos
base son 10 por esta cantidad se paga dos dólares americanos, si el usuario excede de la cantidad
base se cobra 0.25ctvs por cada metro cúbico. La ilustración 29 muestra la matriz de cálculos
realizados por el tesorero de la Junta.
57
Ilustración 29. Matriz de cuentas elaborado por el tesorero de la Junta de Agua
Fuente: Junta Administradora de Agua.
El cobro del valor consumido de agua se lo lleva con un método de entrega de recibos con
el cual se genera un documento que respalda la transacción efectuada, de esta forma los dirigentes
se respaldan en casos de reclamos posteriores, además, se maneja un talonario donde se anotan la
información de los pagos hechos por los usuarios. La ilustración 30 muestra el documento que
entrega el tesorero a los usuarios posterior a pago por consumo.
58
Ilustración 30. Documento que entrega el tesorero al usuario por lo pagos efectuados
Fuente: Junta Administradora de Agua.
Los procesos que efectúan los dirigentes de la Junta de Agua son manuales, no poseen
ningún sistema que respalde la recolección de datos en cada uno de los medidores. Además, los
cálculos de los valores económicos se los realiza de forma manual por tal razón toma mucho
tiempo en generar la información para realizar los cobros.
El acceso a la conexión a Internet es la parte primordial del proyecto por tal razón los
domicilios donde se instalarán los dispositivos necesariamente deben poseer salida hacia la red, la
transmisión inicial de los datos se iniciará en el módulo inalámbrico el cual se conectará hacia el
router de los hogares y este realizara él envió de los datos a través de la red hacia los servidores de
la Junta Administradora ubicado en las oficinas de este. En la ilustración 19 se presentó el diagrama
de comunicación del proyecto.
59
Los dispositivos de censado y corte de agua será ubicado en diferentes puntos del sector
donde se implementará el sistema, se colocará un dispositivo en un domicilio ubicado en la parte
alta de la comunidad, otro se instalará en la parte centro del sector y finalmente se colocará un
dispositivo en la parte baja de la comuna, se realizará las ubicaciones de esta forma para realizar
pruebas de resistencia a las diferentes cantidades de presión.
Los dispositivos se comunicarán a través de la Internet con el servidor ubicado en las
oficinas administrativas de la Junta Administradora de Agua, y el servidor de BD almacenará la
información recolectada y posteriormente para realizará el análisis de la información.
3.2.1. Limitaciones
El sistema por desarrollar poseerá restricciones de utilización, dentro de los cuales se
encuentran los siguientes parámetros:
La fuente eléctrica depende de la red pública ya que el sistema no está equipado
con fuente autónoma (batería).
La comunicación del servidor con el dispositivo de medición será dependiente a la
conexión a Internet.
La potencia de la señal que irradia el módulo inalámbrico wifi dependerá del lugar
donde este ubicado.
La velocidad de respuesta también será dependiente de la conexión a Internet.
60
3.2.2. Definiciones
a) Sistema Electrónico. – Son un conjunto de elementos electrónicos interconectados
que forman un circuito cuya función es realizar acciones de forma automática,
cuenta con un bloque de entrada donde se introduce una orden, un bloque de proceso
donde se realiza operaciones y finalmente el bloque de salida que ejecuta alguna
acción. (Isaac, 2015)
b) Caudalímetro. – El sensor de caudal mide o registra el movimiento líquido a través
de un conducto usando diferentes principios de medición como son los ultrasónicos,
de efecto Hall, electromagnéticos, de desplazamiento positivo y entre otros tipos.
(Susana, 2013)
c) Efecto Hall. - Este fenómeno se caracteriza por presentarse cuando por una lámina
conductora o semiconductora se hace circular corriente y se coloca un campo
magnético de forma perpendicular a este, el cual desvía las cargas y genera una
diferencia de potencial y un campo eléctrico en el material. (Rodríguez, 2013)
d) Válvula Solenoide. – es un dispositivo electromecánico (electroválvula) que es
utilizado para controlar el paso de fluido a través de un conducto o tubería se cierra
por gravedad, por presión o por la acción de un resorte; y es abierta por el
movimiento de un émbolo operado por la acción magnética de una bobina
energizada eléctricamente, o viceversa. (AZCO, 2012)
3.3.Modelo en V de desarrollo del Sistema.
Para la realización de este proyecto se utilizará un método de representación gráfica del ciclo
de vida del desarrollo del sistema que consta de cuatro niveles denominado modelo en V, este
61
procedimiento permite describir en forma secuencial las actividades ejecutarse y resultados que
deben obtenerse durante el desarrollo del producto. Además, esta metodología posibilita la
representación de dos secuencias de fases, la parte derecha e izquierda de la V, la primera se
corresponde a los pasos a seguir en el desarrollo del proyecto y la segunda es la secuencia de fases
de prueba del proyecto. En la ilustración 31 se muestra la estructura general del modelo, cada fase
y su conexión.
Ilustración 31. Modelo Desarrollo.
Fuente: Autor.
La secuencia de pasos definidos en el modelo permitirá desarrollar el proyecto por fases,
en la etapa de análisis se efectúa la recopilación de información y su posterior análisis de los
procesos que posee la entidad donde se realiza el proyecto, posterior al análisis se definirán los
requerimientos que presenta para desarrollar el diseño del dispositivo, en la fase de diseño se
esquematiza los diferentes diagramas a utilizar en la construcción del prototipo, en la etapa de
programación se desarrollara los códigos a utilizar para el control de cada dispositivo. El
62
complemento a cada una de las fases mencionadas es: la verificación con la etapa de diseño, la
implementación con la etapa de requerimientos, y pruebas con la etapa de análisis.
3.4.Requerimientos.
Con el análisis de situación actual, las condiciones del lugar de implementación y tomando
como referencia el estándar ISO/IEC/IEE 291418:2011 que posee los lineamientos para desarrollar
los procesos y productos relacionados con la ingeniería, el cual ha sido desarrollado para ser
implementado en los sistemas y productos de software y servicios a lo largo de un ciclo de vida,
se consideran los siguientes requerimientos para el diseño del dispositivo y sistema de gestión.
El estándar define la construcción de un buen requisito el cual proporciona atributos y
características de los requisitos, y analiza la aplicación iterativa y recursiva de los procesos de
requisitos a lo largo del ciclo de vida del sistema. ISO / IEC / IEEE 29148: 2011 proporciona
orientación adicional en la aplicación de ingeniería de requisitos y procesos de gestión para
actividades relacionadas con requisitos en ISO / IEC 12207 e ISO / IEC 15288.
Los requerimientos son la parte principal para el desarrollo de este proyecto, ya que se presenta
las necesidades de la Junta Administradora de Agua, por tal razón se plantea un listado de los
actores que intervienen directamente en la realización del presente trabajo. En la tabla 8 se listan
los actores involucrados (stakeholders).
63
Tabla 8: Actores involucrados
ACTORES INVOLUCRADOS
N° Actor Función
1 Moradores de la comunidad
“El Abra”
Usuarios del sistema
2 Ing. Jaime Michilena Director del presente trabajo de titulación
3 Ing. Omar Oña Opositor del presente trabajo de titulación
4 Ing. Paul Rosero Asesor del presente trabajo de titulación
5 Juan Farinango Desarrollador del proyecto
6 Geovani Quilca Presidente de la Junta Administradora de
Agua
7 Junta Administradora de Agua Entidad de respaldo.
Fuente: Autor.
La Junta Administradora de Agua es la entidad que da el respaldo y garantiza que el estudiante
pueda hacer uso de su nombre con la finalidad de desarrollar sistemas en beneficio de sus
usuarios.
64
3.4.1. Requerimientos de los stakeholders.
La determinación de los requerimientos de los usuarios es una parte fundamental para el
desarrollo del sistema, a los cuales se los transforma en un conjunto de requisitos que expresen la
comunicación que tendrá el sistema con su entorno operativo y las demás funcionalidades. A
continuación, en la tabla 9 se muestran los requisitos de los usuarios implicados en este proyecto.
Tabla 9. Tabla de requerimientos de los stakeholders
StSR
REQUERIMIENTOS DE LOS STAKEHOLDERS
# REQUERIMIENTOS PRIORIDAD
ALTA MEDIA BAJA
REQUERIMIENTOS DE USUARIOS
StSR1 El usuario no debe manipular el dispositivo de
medición de flujo, la electroválvula posterior a
la instalación realizada por el administrador.
StSR2 El usuario debe permitir realizar la instalación
del dispositivo en un lugar fuera de peligro de
recibir golpes.
StSR3 Informar al administrador en caso de que ocurra
problemas.
StSR4 El usuario debe mantener activo la conexión a la
Internet.
REQUERIMIENTOS OPERACIONALES.
StSR5 El dispositivo no debe estar ubicado a más de
40 m de distancia del router de casa.
StSR6 El dispositivo debe mantenerse activo las 24
horas del día.
StSR7 El dispositivo presenta información visual al
usuario de los valores de consumo.
65
StSR7 Se requiere transmitir datos hacia el servidor
por lo cual el dispositivo debe estar conectado a
la Internet.
Fuente: El autor.
3.4.2. Requerimientos del sistema.
En esta sección de requerimientos del sistema se describen las características que forman
parte del dispositivo y se establecen las limitaciones funcionales, se especifican los requerimientos
de: uso, interfaces, modos y estados físicos. Se emplea la abreviatura SySR para hacer referencia a que
numero de requerimiento se hace referencia. En tabla 10 se describen los requerimientos del sistema.
Tabla 10. Requerimientos de sistema
SySR
REQUERIMIENTOS DE FUNCIONES
# REQUERIMIENTOS PRIORIDAD
ALTA MEDIA BAJA
REQUERIMIENTOS DE USO
SySR1 Conexión a una fuente de 5Vcc para la tarjeta
de procesamiento y sensor de flujo.
SySR2 Conexión a una fuente de 3Vcc para el módulo
de comunicación Wi-Fi.
SySR3 Conexión a una fuente de 110V AC para la
electroválvula.
REQUERIMIENTOS DE PERFORMANCE.
SySR4 Conteo de la cantidad de agua consumida por
los usuarios por medio del sensor de flujo.
66
SySR5 El corte y paso de agua por medio de la
electroválvula.
SySR6 Envió y recepción de datos a través de la
internet por medio del módulo Wi-Fi.
SySR7 El servidor debe estar conectado a la Internet.
SySR8 La placa de procesamiento de datos debe ser
compatible con el sistema donde estará alojado
el servidor.
REQUERIMIENTOS DE MODOS/ESTADOS
SySR9 Él envió de datos hacia el servidor se realizará
en los tiempos establecidos por las autoridades
SySR10 El valor por pagar se reiniciará cada intervalo
de tiempo que los dirigentes establezcan.
REQUERIMIENTOS FISICOS
SySR11 Integración del sistema de sensado con la base
de datos y la plataforma de control.
Fuente: El Autor
3.4.3. Requerimientos de Arquitectura.
Los requerimientos de arquitectura se refieren a los componentes de hardware y software
que deben ser utilizados en la construcción del sistema de medición, los elementos electrónicos a
utilizarse en la construcción del dispositivo final deben estar en función de los objetivos planteados
a alcanzarse. La tabla 11 presenta los requerimientos de arquitectura.
67
Tabla 11. Requerimientos de Software, Hardware y eléctricos.
SRSH
REQUERIMIENTOS ARQUITECTURA
# REQUERIMIENTOS PRIORIDAD
ALTA MEDIA BAJA
REQUERIMIENTOS DE SOFTWARE
SRSH1 El sistema demanda de una base de datos
compatible con la placa de control y con
posibilidad de almacenamiento en la nube.
SRSH2 Es necesario un software para realizar las
configuraciones al módulo Wi-Fi, compatible
con el entorno de programación de la placa de
procesamiento
SRSH3 Se precisa de un software que permita
programar la placa de procesamiento.
SRSH4 Se requiere de una plataforma en la nube que
permita el almacenamiento de información y
publicación de la página web de control.
REQUERIMIENTOS DE HARDWARE
SRSH5 La placa de procesamiento y control debe
soportar comunicación serial con una laptop.
SRSH6 La placa de control debe incorporar pines
salidas digital y pines de entradas digitales.
SRSH7 La placa de control debe permitir conexión de
la pantalla LCD de 20x4.
SRSH8 El sensor de flujo y la electroválvula deben
posibilitar la conexión a la tubería de ½
pulgada.
SRSH9 El módulo WiFi debe poseer alcance de señal
de 40 metros y compatibilidad con la placa de
procesamiento de datos.
REQUERIMIENTOS ELECTRICOS
68
SRSH10 Se requiere una fuente de 110V AC para la
electroválvula.
SRSH11 Se requiere una fuente de 5v DC para la placa
de procesamiento y sensor de flujo.
SRSH12 Se requiere de una fuente de 3v para el
módulo de comunicación Wi-Fi
Fuente: El autor.
3.5. Selección del Hardware y Software
La selección de los elementos (Hardware y software) que formarán parte del sistema se lo
efectuará de acuerdo con los requerimientos establecidos con anterioridad, para lo cual se llevará
a cabo la comparación de diferentes sistemas de software y hardware existentes en el mercado, un
conjunto de parámetros que permitirá seccionar los dispositivos y programas acordes al proyecto.
3.5.1. Selección de Hardware.
En esta parte se describe las características específicas que poseen los diferentes
dispositivos de hardware que están presentes en el mercado y pueden cumplir con los
requerimientos establecidos, la opción del hardware a elegir debe ir a la par con la elección del
software apropiado para el proyecto.
69
3.5.1.1. Elección de la placa de procesamiento de datos.
La recolección y procesamiento de los datos que genera el sensor de flujo de agua se lo
realizara mediante una placa de procesamiento, los datos arrojados por el sensor son pulsos de
voltaje, para obtener información de la cantidad de líquido que fluye a través del sensor es
necesario realizar conversiones matemáticas y transformarlas en información comprensible para
el usuario. Además, la placa de procesamiento tendrá más funciones como son: él envió de
información hacia el módulo de comunicación, visualización de la información hacia el usuario y
ejecutar la activación o desactivación de la electroválvula por tales tareas a ejecutar y los
requerimientos especificados con anterioridad se seleccionará el dispositivo que cumpla con la
mayor parte de estos. La tabla 12 contiene las comparativa de las diferentes placas de
procesamiento en base a los requerimientos establecidos con anterioridad.
Tabla 12. Comparación de diferentes placas de procesamiento en base a los requerimientos.
PLACA DE
PROCESAMIENTO
REQUERIMIENTOS VALORACION
TOTAL
| SySR8 SRSH3 SRSH9 SRSH11
NodeMCU ESP E12 1 1 1 1 4
Netduino 0 1 1 1 3
PIC'Control 0 1 1 1 3
Launchpad 0 0 1 0 2
Cumple totalmente: 1
Cumple parcialmente: 0 Fuente: El autor
70
Elección: Se selecciona la placa electrónica ESP E12 para el procesamiento de datos ya
que cumple con los requerimientos identificados con anterioridad, también posee gran
campo de desarrollo en cual permite obtener información para aplicarlo en la construcción
del dispositivo final. En la tabla 13 se detallan las características de la placa ESP E12.
Tabla 13. Características placa electrónica ESP E12
Características placa ESP E12
Microcontrolador ESP
Voltaje de entrada 5V
14 pines digitales de I/O (6 salidas PWM)
2 entradas análogas
32k de memoria Flash
Reloj de 16MHz de velocidad
Fuente: (Arduino, s.f.)
3.5.1.2. Elección del módulo Wi-Fi.
La comunicación del dispositivo de medición con el sistema de almacenamiento de
información es una de las partes fundamentales de este proyecto, además, se tomará en cuenta los
requerimientos establecidos para la elección del dispositivo a utilizarse en el sistema final. La tabla
14 muestra la comparativa de requerimiento cumplidos de los módulos Wi-Fi.
Tabla 14: Comparación de los diferentes módulos Wi-Fi
MÓDULO WI-FI REQUERIMIENTOS VALORACION
TOTAL
SySR6 SRSH9
ESP8266 1 1 2
71
PICtail RN-131 0 1 1
Realtek Rtl8188ce 0 1 1
HLK-RM04 UART 0 1 1
Cumple totalmente: 1
Cumple parcialmente: 0 Fuente: El autor
Selección: El módulo Wi-Fi ESP8266 cumple con todos los requerimientos establecidos,
y una de las ventajas es que es compatible con la placa de procesamiento seleccionado en
la anterior sección. La tabla 17 muestra las características específicas que posee el módulo
ESP8266.
Tabla 15. Características del módulo Wi-Fi ESP8266
Características del módulo Wi-Fi Serial ESP8266
Protocolos soportados: 802.11 b/g/n
Wi-Fi Direct (P2p), Soft Access Point
Stack TCP/IP integrado
PLL, reguladores y unidades de manejo de energía integrados
Potencia de salida: +19.5dBm en modo 802.11b
Procesador integrado de 32 bits
Consumo en modo de baja energía: <10 uA
Fuente: El autor
3.5.1.3. Elección del sensor de flujo de agua
El dispositivo más importante dentro del proyecto es el sensor de flujo de agua, por tal
razón se buscó diferentes dispositivos que cumplan con las necesidades presentadas para el
desarrollo del presente proyecto. La tabla 16 muestra la comparativa de los diferentes sensores de
flujo en base a los requerimientos establecidos con anterioridad.
72
Tabla 16. Comparación de los diferentes sensores de flujo de acuerdo con los requerimientos establecidos.
SENSOR DE
FLUJO
REQUERIMIENTOS VALORACION
TOTAL
| SRSH8 SySR4
YF- S201 1 1 2
FS300A 0 1 1
FS400A 0 1 1
Cumple totalmente: 1
Cumple parcialmente: 0 Fuente: El autor
Elección: El sensor de flujo YF-S201 es el que cumple con todos los requerimientos
planteados, y es adecuado para la implementación en nuestro proyecto. En la tabla 17 se
describen las características del sensor de flujo YF-S201.
Tabla 17. caractersiticas del sensor de flujo de liquidos YF-S201
Sensor de Flujo de 1/2" por Efecto HALL, YF-S201
Caudal: 1-60L / min
Corriente máxima: 15 mA (DC 5V)
Trabajar rango de voltaje: DC 5 ~ 24 V
Permitir compresión: La presión del agua > 1.20Mpa
Resistencia de aislamiento: > 100M OHM
Onda de salida: Onda cuadrada
Longitud del cable: Aprox. 15cm
Fuente: El autor
73
3.5.1.4. Elección de la electroválvula.
La electroválvula es el dispositivo que permitirá el control de servicio de suministro de
agua por esa razón es necesario seleccionar el elemento adecuado a nuestro proyecto. La tabla 18
presenta la comparativa de los requerimientos cumplidos de cada tipo de electroválvula.
Tabla 18. Comparación de las electroválvulas.
ELECTROVALVULA REQUERIMIENTOS VALORACION
TOTAL
|
SRSH8 SRSH10
Genebre 4020 0 1 1
Genebre 4050 0 1 1
Eaglestime 1 1 2
Cumple totalmente: 1
Cumple parcialmente: 0 Fuente: El autor
Elección: la electroválvula Eaglestime cumple con los requerimientos planteados para
componer el sistema final. La tabla 19 muestra las características de la electroválvula seleccionada.
Tabla 19. Características de la electroválvula Eaglestime.
Características de la electroválvula
Voltaje: 110V AC
Conector: 1/2'' Media Pulgada
Modo de operación: Normalmente cerrado
Presión 0.02-0.8 Mpa
Temperatura de Fluidos: 1-100 ºC
Material: Metal + plástico
Fuente: (AZCO, 2012)
74
3.5.2. Selección del Software.
La selección del software se lo efectúa después de la elección de los distintos componentes
de hardware con el propósito de elegir los entornos programación que trabajan con cada uno de
los dispositivos. El principal elemento de hardware que maneja entorno de programación propio
es la placa de procesamiento, el resto de las componentes se configuran utilizando las mismas
plataformas.
3.5.2.1. Elección de la plataforma para la base de datos.
La base de datos es el entorno donde se trabajará o realizará el registro de información de
cada medidor, para nuestro proyecto se requiere de una plataforma libre y que esté acorde a las
características del sistema donde se alojará el servidor. En la tabla 20 se muestra la elección de la
base de datos.
Tabla 20. Elección de la plataforma de base de datos
BASE DE DATOS REQUERIMIENTOS VALORACION
TOTAL
SRSH1 SRSH4
MySQL 1 1 2
Oracle. 0 1 1
Cumple totalmente: 1
Cumple parcialmente: 0 Fuente: El Autor.
Elección: La plataforma de base de datos que está acorde a las características del sistema
donde se alojara el servidor y cumple con los requisitos es MySQL, dentro de este sistema
75
se tiene posibilidad de almacenar información lo que permitirá que además de cumplir con
los objetivos planteados al inicio del proyecto.
3.5.2.2. Elección de la plataforma de programación de la placa de procesamiento.
La placa de procesamiento necesita ser cargada con instrucciones programadas para
ejecutar un conjunto de acciones dentro del sistema de sensado, donde ejecutará la conversión de
pulsos a datos, mostrara al usuario la información de los datos procesados mediante un dispositivo
de visualización y enviará al módulo de comunicación la información para sea transmitida hacia
el servidor de almacenamiento, por tal razón es necesario un entorno acorde a las características
de la placa. La tabla 20 muestra la selección de la plataforma de programación de la placa de
control de acuerdo con los requerimientos establecidos con anterioridad.
Tabla 21. Elección de la plataforma de programación.
ENTORNO DE
PROGRAMACION
REQUERIMIENTOS VALORACION
TOTAL
|
SRSH2 SRSH3
IDE de Arduino 1 1 2
Scratch 0 1 1
Cumple totalmente: 1
Cumple parcialmente: 0 Fuente: El Autor.
Elección: El entorno de programación de Arduino es el que cumple con los requisitos
planteados y es el que permite realizar las configuraciones respectivas al módulo Wi- Fi.
76
3.5.2.3. Elección de la plataforma de almacenamiento en la nube.
La plataforma de alojamiento de la base de datos y almacenamiento de las páginas de
control debe permitir el registro de información de las lecturas de forma permanente por esta razón
se seleccionará un sistema acorde a los requerimientos planteados. En la tabla 21 se muestra la
elección de la plataforma de control de acuerdo con los requerimientos presentados anteriormente.
Tabla 22. Elección de la plataforma de almacenamiento en la nube.
PLATAFORMA EN LA
NUBE
REQUERIMIENTOS VALORACION
TOTAL
SRSH2 SRSH3
InfinityFree 1 1 2
Joomla 0 1 1
Cumple totalmente: 1
Cumple parcialmente: 0 Fuente: El Autor
Elección: La plataforma InfinityFree cumple con los requerimientos identificados para el
desarrollo de nuestro proyecto.
3.6.Diseño.
Para la construcción del sistema de medición de agua se utilizará la información obtenida
durante los anteriores procesos ya que es muy importante considerar las limitaciones, las ventajas
y requerimientos que presenta el desarrollo del sistema final. La limitación más importante del
dispositivo final será la conexión con el servidor a través de la Internet ya que es un factor que
depende exclusivamente del usurario ya que si por alguna circunstancia se pierde la conexión hacia
77
Internet no se ejecutará algunas acciones establecidas como requerimientos, pero el resto de las
funciones seguirá operando normalmente.
3.6.1. Diagrama de bloques
La esquematización de un diagrama de bloques permitirá definir las etapas de diseño, cada
etapa se describe mediante un bloque donde se ejecutan los diferentes procesos, en cada bloque se
muestra específicamente la acción a desarrollar. La ilustración 32 muestra el diagrama de bloques
para el diseño del sistema.
El sistema está compuesto por cuatro bloques donde se representa las funciones específicas
a realizar por cada grupo de dispositivos.
En el bloque 1 se ejecuta las tareas de obtención de datos mediante el sensor de flujo de
líquidos, además se transforma los valores obtenidos desde el sensor en información comprensible
para el usuario, el proceso de transformación se o realiza de acuerdo a un algoritmo cargado en la
placa de procesamiento, y finalmente se muestra la información hacia el usuario en una pantalla
LCD de las cantidades de consumo actual y los valores a pagar.
Sensado del flujo
de agua.
Procesamiento,
transformación,
visualización de
los datos.
Envió de datos
hacia el
servidor.
Recepción y
almacenamien
to de
información
Calculo de
valores y
activación o
desactivación
de servicio
BLOQUE 1 BLOQUE 2 BLOQUE 3 BLOQUE 4
Ilustración 32. Diagrama de bloques del sistema
Fuente: El autor.
78
En el bloque 2 se procede al envió de datos a través de la Internet utilizando el módulo wifi
como equipo transmisor, este módulo se conecta a la red Wi-Fi del domicilio del cliente y este
envía la información hacia el servidor ubicado en las oficinas de la Junta Administradora de Agua.
El bloque 3 describe el almacenamiento de la información que se recibe desde el medidor
en el servidor de la Base de Datos para su posterior uso, este proceso se llevara a cabo en la
plataforma MySQL.
Bloque 4 con la información obtenida en el bloque 3 se efectúa el cálculo de valores
económicos que genera cada usuario.
3.6.2. Diagrama esquemático
El sistema de medición del agua esta subdividido en tres elementos, el sensor de flujo, el
dispositivo de procesamiento y comunicación, y la pantalla de visualización, cada componente
posee su propio modo de funcionamiento, en esta sección se explica las conexiones de cada uno
de los elementos. La ilustración 33 muestra el diagrama esquemático de la conexión de la placa de
control con los dispositivos de medición.
79
Ilustración 33. Diagrama Esquemático del dispositivo final de medición
Fuente: El Autor.
3.6.2.1.Diagrama de circuito de conexión del sensor de flujo con la placa de procesamiento
ESP E12.
El sensor de flujo de acuerdo con sus especificaciones técnicas requiere de una fuente de
alimentación de 5 Voltios de corriente continua, y con un amperaje de 15mA. El sensor de flujo
YF-S201 posee tres cables de los cuales el rojo es 5 voltios positivos, el cable negro es tierra y el
cable amarillo es el de control. En la ilustración 34 se observa el diagrama de conexión del sensor
de flujo, los cables rojo y negro están conectados a la fuente de energía y el cable amarillo está
conectado a un pin de control.
80
Ilustración 34. Conexión del sensor de flujo con la placa de procesamiento ESP E12
Fuente: (NaylampMecatronics, 2017).
3.6.2.1.1. Comprobación de mediciones de flujo.
Para obtener el valor del flujo de agua, es necesario conocer el factor de conversión de
frecuencia a caudal, el mencionado dato nos lo da el fabricante del dispositivo. Con el factor de
conversión, se realiza el programa para contabilizar la frecuencia de los pulsos del sensor, para
posteriormente con el factor de conversión transformar del valor frecuencia a valor de caudal. En
la ilustración 35 se presenta el código para la prueba del sensor de flujo.
81
Ilustración 35. Código para prueba de funcionamiento del sensor de flujo
Fuente: El autor.
Los datos que se presenta en la ilustración 35 son generados por el sensor de flujo de agua,
estos datos son transformados de frecuencia de los pulsos a valor en caudal según el factor de
conversión que proporciona el fabricante.
Ilustración 36. Datos generados por el sensor de flujo
Fuente: El autor.
82
3.6.2.2. Pruebas de funcionamiento del módulo ESP en modo servidor.
Posterior a realizar las conexiones físicas se desarrolla el programa para la conexión a red
inalámbrica del domicilio. Se ingresa la SSID y la contraseña de acceso al router, con esta
información el dispositivo Wi-Fi se conecta a la red. La ilustración 38 muestra la forma de
conexión del módulo ESP8266 a la red.
Ilustración 37. Código conexión del módulo Wi-Fi a la red de un domicilio
Fuente: El autor.
Al ejecutar el programa para realizar la prueba de conexión del dispositivo con la red el
resultado se obtiene de la siguiente forma. La ilustración 39 muestra la conexión del módulo Wi-
Fi al router del domicilio.
Ilustración 38. Comprobación de conexión del módulo ESP8266
Fuente: El autor.
83
3.6.2.3.Diagrama de circuito de conexión de la electroválvula.
El control del flujo de agua es de vital importancia en nuestro proyecto debido a que el
sistema controla la activación o desactivación del servicio, por tal razón en el acoplamiento del
dispositivo con la placa ESP E12 es necesario efectuar las respectivas pruebas antes de ponerlo en
operatividad. En la ilustración 39 se observa la conexión de la electroválvula mediante un relé de
5 voltios para su control.
Ilustración 39. Diagrama de conexión de la electroválvula con la placa Arduino
Fuente: (Electrogate., 2017).
3.6.2.3.1. Pruebas de funcionamiento de la electroválvula.
El código para ejecutar la prueba de operatividad de la válvula solenoide se lo desarrollara
para un conjunto de ciclos donde de activa y se desactiva el flujo de agua con el objetivo de
84
observar. La ilustración 40 muestra el código para la prueba de funcionamiento de la
electroválvula.
Ilustración 40. Código para test de la electroválvula
Fuente: El autor.
3.6.3. Creación de la Base de Datos en un hosting gratuito.
Para la instalación de la base de datos en el cloud se utilizo la plataforma InfinityFree el
cual permite crear y gestionar la base de datos, archivos FTP, seguridad del cloud, servicio de DNS
y otras funcionalidades a través de la Internet. En la ilustración 41 se visualiza la página web de la
plataforma InfinityFree.
85
Ilustración 41. Ingreso a la plataforma InfinityFree
Fuente: El Autor.
Para el proyecto se creó una cuenta llamada tesisagua2018 con la cual se administrará la
plataforma de control y la base de datos. La ilustración 42 muestra la cuenta creada en la plataforma
InfinityFree.
Ilustración 42. Cuenta en la plataforma InfinityFree
Fuente: El Autor.
86
Al acceder al panel de control se observa varias herramientas de base de datos y entre ellas
la plataforma phpMyAdmin. La ilustración 43 muestra las opciones de base de datos en la cuenta
anteriormente creada, para nuestro proyecto se utilizará la opción phpMyAdmin.
Ilustración 43. Base de datos en la cuenta de InfinityFree
Fuente: El Autor.
Al acceder en la pestaña de phpMyAdmin se ingresa a la interfaz de la base de datos. Dentro
de la base de datos se crean las diferentes tablas a necesitar en el proyecto. En la ilustración 44 se
visualiza la interfaz de la base de datos anteriormente creada.
Ilustración 44. Interfaz de la base de datos creada
Fuente: El Autor.
87
3.7.Diagrama de flujo del sistema.
El diagrama de flujo desarrollado para el presente sistema permite esquematizar de forma
gráfica los algoritmos que se ejecutan en cada proceso, la secuencia que sigue cada subproceso es
descrita en los siguientes diagramas.
3.6.1. Diagrama de flujo del sensado de agua.
En este diagrama se muestra de forma gráfica la secuencia de pasos que se realizan para
obtener los datos del sensor y transfórmalos a información comprensible para los usuarios. En la
ilustración 45 se presenta el diagrama de flujo de el sensado de agua, el funcionamiento de la placa
de control se ejecutará de acuerdo a lo indicado en la ilustración.
88
Ilustración 45. Diagrama de flujo del programa de sensado.
Fuente: El autor.
3.6.2. Diagrama de flujo del programa de transmisión de datos.
La comunicación del sistema de medición del flujo de agua con el sistema de base de datos
permite almacenar la información del consumo de los usuarios en un determinado tiempo
89
de acuerdo con requerimientos planteados. En la ilustración 46 se observa los pasos a
ejecutar en la placa de control para el proceso de envío y recepción de información. Los
valores de las lecturas se envían hacia la plataforma de control y la base de datos, los datos
de control para la activación y desactivación de servicio se reciben desde la plataforma de
control.
Ilustración 46. Diagrama de flujo del algoritmo de comunicación
Fuente: El Autor.
90
CAPÍTULO 4.
PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO Y RESULTADOS.
En este capítulo se contempla la fase de pruebas de funcionamiento y se documentará el
desarrollo del sistema de medición del flujo de agua (hardware y software), los cuales se han
realizado en diferentes zonas de administración del agua, específicamente en tres zonas: alta,
media y baja. Se presenta las pruebas de funcionamiento del sensor de flujo ya acoplado a la
acometida del agua, la activación y desactivación del servicio mediante la electroválvula, el
almacenamiento de datos en una base de datos, una interfaz de control del sistema y el programa
de cálculo de valores económicos. Se expone las pruebas en base al diagrama de bloques
desarrollado en la fase de diseño. Finalmente se detallarán las conclusiones y recomendaciones
que se obtendrán posterior a la realización del sistema de medición inteligente de agua.
4.1. Pruebas de medición del sensor de flujo.
Para calibrar el sensor de flujo y determinar el factor de medición adecuado se realizó
pruebas de medición y comparación con las mediciones obtenidas con el medidor mecánico
actualmente utilizados en los domicilios. En la tabla 23 se registra la tabulación de los pulsos
obtenidos con siete litros de agua.
Tabla 23. Tabulación de mediciones obtenidas con el sensor de flujo.
Apertura llave de agua Litros Pulsos
Alta 7 2130
Alta 7 2080
Media 7 2094
Media 7 2147
91
Alta 7 2118
Baja 7 1894
Promedio 2077
Fuente: El autor
El promedio de pulsos obtenido es de 2077 en cada 7 litros de agua con lo cual calculamos
la cantidad de pulsos para un litro de agua, dando como resultado un promedio de 295 pulsos por
litro. El factor K que se utiliza para el cálculo de volumen por un intervalo de tiempo viene dado
por el fabricante en este caso es 7.5 para el modelo de sensor que se está utilizando. Los valores
anteriormente obtenidos de colocan dentro del programa para obtener el valor de flujo de agua. En
la ilustración 47 se observa las mediciones de pulsos y conversión de frecuencia a valor de caudal.
En la parte izquierda se visualiza el código para la trasformación de los pulsos del sensor a valores
numéricos comprensibles, y en la parte derecha se muestra los resultados arrojados por la placa de
control.
Para convertir los litros obtenidos en metros cúbicos se divide la cantidad en litros para
1000 ya que un metro cubico posee mil litros, de esta manera se genera datos en los parámetros
que maneja actualmente la Junta Administradora de Agua. En el anexo A se encuentra el código
desarrollado y esta detallada línea por línea cada acción.
92
Ilustración 47. Obtención de pulsos del sensor de flujo
Fuente: El autor.
4.1.1. Calculo del porcentaje de error de mediciones de flujo.
Con el valor promedio de pulsos que se obtuvo en el literal anterior se procedió a tomar
lecturas de las cantidades de agua media el sensor, la cantidad de pulsos resultantes se ingresos en
el programa de cálculo de flujo de líquido y se registró los siguientes datos. La tabla 24 contiene
los registros de lecturas de flujo con el valor promedio de pulsos. El valor de 7 litros de agua se
tomó como referencia por que se disponía de un recipiente con esta unidad de medida.
Tabla 24. Registro de datos de lecturas de flujo de agua con el valor promedio de pulsos.
Litros de agua Valor en litros generado
por el sensor de flujo
Porcentaje de error con el
valor real (%)
7 6.96 0.5
7 7.00 0
7 7.01 1
93
7 7.00 0
7 7.05 0.7
7 6.97 0.4
Fuente: El autor
El resultado de las mediciones arroja un porcentaje de 0.4% en las mediciones realizadas
con el nuevo valor promedio de pulsos. Gráficamente se presenta la variación de los pulsos
electrónicos del sensor de flujo en relación con el valor promedio en la ilustración 48.
Ilustración 48. Grafica de la variación de pulsos en el sensor de flujo.
Fuente: El autor.
4.1.2. Visualización de los datos en una LCD de 20x4.
La visualización de los datos hacia el usuario es simplificada, prestando la información
primordial que el usuario pueda leer y comprender. En la ilustración 49 se muestra el diagrama de
conexión de la placa NodeMCU ESP E12 y la de LCD de 20x4.
1640
1740
1840
1940
2040
2140
2240
1 2 3 4 5 6
Pulsos electronicos del sensor de flujo.
Pulsos Promedio
94
Ilustración 49. Conexión LCD con la placa de control ESP E12
Fuente: El autor.
La información que se muestra hacia los usuarios se observa en la ilustración 50 donde se
la LCD presenta los valores del consumo de agua, en litros por hora, metros cúbicos consumidos,
el valor a pagar, número de medidor y el estado del servicio.
Ilustración 50. Información que se muestra a los usuarios
Fuente: El autor.
95
4.2. Pruebas de conectividad.
La comunicación del módulo Wi-Fi con la placa de procesamiento se la realiza mediante
comandos AT, debido a que el módulo ESP 8266 está cargado con un firmware que recibe solo
este tipo de comandos, por tal razón se realizó un programa para enviar los comandos desde la
placa y realizar las acciones correspondientes.
Los comandos AT son instrucciones codificadas que se desarrolló en el año 1977, es un
lenguaje de comunicación que utiliza para configurar y proporcionar instrucciones a un equipo
modem. Cada comando es una cadena de código ASCII, una vez que el modem recibe un código
AT, lo procesa y devuelve un resultado, es otra cadena ASCII. Al establecer la comunicación en
ASCII, se puede utilizar una interfaz de comunicación desde una computadora para acceder al
modem. (Nicolas)
La conectividad del módulo ESP8266 con la WLAN de los domicilios se lo comprueba
obteniendo la dirección física de la placa, como se visualiza en la ilustración 51 la placa presenta
su MAC address la cual se coteja con la dirección MAC que se encuentre en el panel de control
del router del domicilio.
Ilustración 51. Obtención de la dirección MAC del ESP 8266
Fuente: EL autor.
96
Al ingresar al router del domicilio se puede observar que la dirección MAC de la placa
utilizada se encuentra en la lista de dispositivos conectados. En la ilustración 52 se presenta las
direcciones MAC de los dispositivos enlazados a la red y dentro de ellos está la dirección de la
placa NODEMCU ESP con lo cual se verifica que está vinculada a la WLAN.
Ilustración 52. Lista de direcciones MAC en el router del domicilio
Fuente: El autor.
4.2.1. Prueba de conexión a la red local y a la Internet.
La conexión a la red del módulo Wi-Fi se realiza con él envió de comandos desde la placa Arduino
mediante un código espejo que captura los comando y envía hacia el módulo. Los comandos AT
a utilizar son los siguientes como se describe en la tabla 25.
97
Tabla 25: Comandos AT para configuración del módulo WI-FI.
Comando AT Acción Tipo
¿AT+CWMODE? Consulta en qué tipo de modo está configurado el
módulo Wi-Fi.
1 modo cliente
2 modo AP
3 modo cliente y AP
Wi-Fi
7 2080
AT+CWLAP Busca las redes disponibles Wi-Fi
AT+CWJAP Permite ingresar a una red Wi-Fi
AT+CWJAP_DEF="NombreRedWiFi","Contraseña"
Wi-Fi
AT+CWQAP Permite salir de la conexión con el acces point Wi-Fi
¿AT+CIPSTA? Permite ver la dirección IP asignada por el Router TCP/IP
AT+CIPMUX Permite multiplexar conexiones.
AT+CIPSERVER Permite habilitar un servidor en el módulo Wi-Fi TCP/IP
AT+PING Permite establecer un ping de conexión con algún
equipo o dirección web.
TCP/IP
Fuente: El autor.
Para realizar las pruebas y consulta de modos de operación del dispositivo Wi-Fi se elaboró un
programa en el IDE de Arduino el cual me permite hacer un espejo de los comandos y enviar hacia
el ESP8266. En la ilustración 53 se observa el código utilizado para consultar el modo de operación
y configuración. En el anexo B se encuentra detallado el código utilizado.
98
Ilustración 53. Código para enviar comandos AT desde la placa Arduino al módulo ESP8266
Fuente: El autor.
La consulta del modo de operación del dispositivo se ejecuta con el comando
AT+CWMODE el cual permite ver la configuración inicial del módulo, para el presente proyecto
se requiere que el ESP 8266 este en modo cliente, para configurar en el modo de operación
mencionado se envía el comando AT+CWMODE=1, si el código enviado es aceptado se recibe
una respuesta de OK confirmando el cambio al modo deseado. En la ilustración 54 se observa la
configuración del módulo Wi-Fi.
Ilustración 54. Configuración modo cliente del módulo ESP8266
Fuente: El autor.
99
Con el comando AT+CWLAP se escanea las redes Wi-Fi-existentes en el medio, a las
cuales se puede acceder con los permisos correspondientes como son el nombre de la red y la
contraseña, en este caso se registró la red FAMILIA_FARINANGO que es la red disponible. La
ilustración 55 se muestra las redes disponibles en el entorno.
Ilustración 55. muestra las redes disponibles en el medio
Fuente: El autor.
Con las consultas y configuraciones realizadas anteriormente se procede a realizar el
programa para establecer la conexión con el modem del domicilio, habilitar las conexiones
múltiples y habilitar un servidor para el envío y recepción de datos. La ilustración 56 muestra el
código utilizado para ejecutar las configuraciones del ESP8266.
Ilustración 56. código desarrollado para realizar configuraciones iniciales del módulo Wi-Fi al iniciar el sistema
Fuente: El autor.
100
Al enviar los comandos AT desde la placa Arduino hacia el módulo Wi-Fi se obtiene las
siguientes respuestas, el establecimiento de conexión con el modem del domicilio, la habilitación
de conexiones múltiples, y la activación del servidor. En la ilustración 57 se observa además de
las configuraciones anteriormente mencionadas la información de la dirección IP asignada al
módulo, la identificación MAC del dispositivo.
Ilustración 57. datos de respuesta del módulo WiFi
Fuente: El autor.
La conexión a internet se lo comprueba realizando un ping hacia un servidor externo, en
este caso se realizó ping a www.google.com con lo cual se confirma la conexión a internet del
módulo Wi-Fi. El comando AT es AT+PING=” Dirección web”. En la ilustración 58 se observa
la prueba de conexión del módulo Wi-Fi.
101
Ilustración 58. Prueba de conexion del modulo WiFi
Fuente: El Autor..
4.3. Pruebas del corte de servicio.
El servicio estará controlado por la electroválvula que funciona como llave de paso hacia
el dispositivo de medición, la activación o desactivación del mecanismo se efectúa desde la
plataforma de control, en este caso la página web que está alojado en la computadora del
administrador. En el capítulo 3 en el literal de análisis se describió los estados de control de la
electroválvula, desde esta interfaz de control se envía un dato para el control, dependiendo de la
acción que se pretenda el dato de control será de alto o bajo el cual se envía al presionar el botón
de control. El dispositivo de medición al estar conectado al servidor recibe los datos y envía a la
placa de procesamiento, el cual efectúa la acción correspondiente. En la ilustración 59 se observa
la interfaz de control donde se tiene el botón de control. En el anexo D se muestra el código de la
página web desarrollada.
102
Ilustración 59. Interfaz de control de servicio
Fuente: El autor.
Al efectuar la respectiva acción en la interfaz de administración la válvula de control
cambia de estados de la forma que esta descrito en la tabla 26, al estar la electroválvula en su
estado inicial de normalmente cerrado es necesario envía un pulso de control para activar el inicio
de servicio.
Tabla 26. Control de la electroválvula.
Dato de control Estado relé de control Electroválvula
ON Off Off
OFF On On
Fuente: El autor.
El estado del medidor es controlado en la página web de control desde la cual se envía un comando
de encendido, en la ilustración 60 se observa que le estado del medidor es encendido.
103
Ilustración 60. Estado encendido de la electroválvula.
Fuente: El autor.
El cambio del estado del medidor se lo realiza pulsando el botón de desactivar el cual envía un
comando de apagado hacia el módulo de control. En la ilustración 61 se visualiza el estado apagado
del medidor. En el anexo E se detalla el código de la página web.
Ilustración 61. Estado apagado del medidor
Fuente: El autor.
La ejecución de pruebas de activación y desactivación del servicio desde la plataforma web
de control con 100 muestras en los tres medidores, permitió calcular la confiabilidad del sistema
implementado. En la tabla 27 se muestra los resultados obtenidos en el proyecto donde el error en
104
la activación es del 2.3%, dando como resultado una confiabilidad de 97.7% en el control de
servicio.
Tabla 27: Confiabilidad de la activación o desactivación del servicio desde la plataforma de control.
Numero de medidor Numero de activaciones o desactivaciones de servicio
Error en la activación o desactivación de servicio
Medidor1 100 2
Medidor2 100 3
Medidor3 100 2
Promedio 2.3%
Fuente: El Autor.
4.4. Pruebas de funcionamiento del servidor de la base de datos.
El almacenamiento de información generada por los sensores es efectuado en el servidor
de administración donde está instalado un sistema de base de datos, la plataforma MySQL es de
software de libre, dentro de la base de datos se crea un espacio para guardar los registros de los
valores que genera los sensores.
Antes de la creación de las tablas se creó un archivo para él envió y registro de los datos en
el servidor. La recepción y registro de datos se lo efectúa mediante un programa desarrollado en
PhP. El código está estructurado de la siguiente manera, se crean variables para recibir los datos,
en la variable id se genera un numero de forma automática para identificar el número de dato
registrado en la BD, las variables que reciben los datos del sensor son mediciones y litros, los
105
cuales mediante una variable de conexión se envía hacia la base de datos. En la ilustración 62 se
presenta el código desarrollado para la recepción de datos y registro en la base de datos.
Ilustración 62. Código PhP para receptar los datos y registrarlos en la base de datos
Fuente: El autor.
Para realizar las pruebas respectivas de funcionamiento de la base datos se crea varias
tablas dentro de las cuales se almacenará información, para el caso del presente proyecto se crearon
tres tablas llamadas tablaM, tablaM2 y tablaM3. En la ilustración 63 se observa las tablas de
registro de datos de los tres diferentes medidores.
Ilustración 63. Interfaz de la base de datos
Fuente: El autor.
106
Se crearon tablas para cada medidor debido a que para los calculos se necesitan los valores de una
solo dispositivo, si se registran todos los datos en una misma tabla se mezcla la informacion de
todas la lecturas y no se puede realizar los calculos correspondientes de forma adecuada.
En las tablas creadas se registran los datos de los medidores con su codigo respectivo, los registros
se ejecutan cada intervalos de un minuto o dependiendo de la configuracion que se establezca. En
la ilustracion 64 se visualiza las lecturas realizadas por elsensor de flujo, el dato posee su respectiva
fecha, Id y codigo del medidor del cual proviene, en este caso es el medidor uno.
Ilustración 64. Los datos registrados por el primer medidor uno.
Fuente: El autor.
En la segunda tabla de la ilustración 65 se registran los datos del segundo medidor, como
se observa en la imagen el medidor cuenta con su propio código y es diferente al primero, de esta
forma se vincula el medidor con el usuario.
107
Ilustración 65. Tabla de registros del segundo medidor.
Fuente: el Autor.
Los resultados del almacenamiento de las lecturas del consumo de agua en la Base de Datos
se presentan en la tabla 28 donde se muestra que él envió de datos desde los medidores hacia el
servidor de almacenamiento de información se realiza de forma exitosa con el 99.6% de las
muestras enviadas.
Tabla 28. Confiabilidad del registro de las lecturas de consumo en la Base de Datos.
Numero de medidor Lecturas enviadas a la DB Lecturas registradas en la DB
Medidor1 100 99
Medidor2 100 100
Medidor3 100 100
Resultado 99.6%
Figura: El Autor.
108
4.5. Ubicación de los medidores de prueba en la comunidad.
Los medidores están ubicados en diferentes sitios de la comunidad para realizar pruebas en
cada escenario planteado, los dispositivos a utilizar para las pruebas son tres, el primer medidor se
encuentra ubicado en la zona alta, el segundo medidor se colocó en la parte media y el tercer
medidor está ubicado en la parte baja de la comunidad. La zona alta es donde la presión en las
tuberías de distribución de agua es baja, en la zona media la presión es media y en la zona baja
resiste toda la presión del sistema de distribución. En la ilustración 66 se observa la distribución
de los medidores en la comunidad.
Ilustración 66. Ubicación de los medidores en la comunidad
Fuente: El Autor.
Zona Alta
Medidor1
Zona Media
Medidor 2
Zona Baja
Medidor 3
109
4.5.1. Medidores en los domicilios.
El medidor número 1 se halla instalado en un domicilio de la zona alta, en la ilustración 67
se observa los componentes que forman parte del dispositivo final, al módulo de control se
encuentra conectado el sensor de flujo y la electroválvula. En la ilustración 67 se muestra los
elementos que están instalados en el dispositivo final.
Ilustración 67. Medidor en un domicilio de la zona alta y componentes del dispositivo final.
Fuente: El autor.
La información que se presenta al usuario en la pantalla LCD son el número de medidor,
el estado del servicio, el consumo de agua que es litros por hora, el consumo de agua en metros
cúbicos y el valor a cancelar por el mes de servicio. En la ilustración 68 se visualiza la información
que puede observar el cliente en el medidor.
Modulo de
control.
Sensor de
flujo
Electroválvula
110
Ilustración 68. Información que se presenta en la LCD
Fuente: El autor.
La información que el usuario visualiza en los domicilios también puede ser visualizada en
la página web de control, además, el administrador puede controlar el estado del medidor
remotamente, como se puede observar en la ilustración 68 la cantidad de agua consumida es
similar. En la ilustración 69 se muestra la información de la cantidad de agua consumida, así
también el estado del medidor y finalmente los botones de control.
Ilustración 69. Página web del administrador
Fuente: La fuente.
111
4.6. Prueba del sistema de facturación.
La automatización de los cálculos para la obtención de valores monetarios por el consumo
de agua correspondiente a cada usuario facilita a los administradores brindar un servicio de
atención al cliente de forma rápida. En el análisis de la situación actual en el capítulo 3 se indicó
la forma de cobro que está establecido en la Junta de Agua. En la figura 70 se observa el
comprobante por el cobro de la mensualidad por el consumo de agua.
Ilustración 70. Comprobante de cobro por servicio.
Fuente: El Autor.
El comprobante de pagos se llenará de acuerdo con los datos obtenidos del medidor y los
datos del cliente especificando los valores de la lectura anterior y la presente para evitar posibles
reclamos. En la ilustración 71 se visualiza el comprobante de pago a emitir cada mes.
112
Ilustración 71. Comprobante de pago
Fuente: El autor.
4.7. Resultados de las pruebas de funcionamiento.
Una vez realiza las pruebas de funcionamiento a los diferentes componentes del dispositivo
de medición se procede a la evaluación de la funcionalidad total, con la cual se verifica que el
medidor desarrollado ayuda solventar los problemas identificados en la Junta de Agua. En la tabla
29 se resume los resultados de cada componente y se realiza un promedio general para obtener el
porcentaje global de confiabilidad, como resultado se tiene que el sistema es 98.5% confiable.
Tabla 29. Confiabilidad del sistema total.
Detalle Porcentaje (%)
Confiabilidad en el conteo de agua 99
Confiabilidad en la activación o desactivación de servicio 97.6
Confiabilidad en el registro de datos en la DB 99.6
Promedio 98.5
Fuente: El Autor.
113
4.8. Presupuesto para la implementación del proyecto.
La implementación total del presente proyecto implicara costos económicos para la
adquisición de materiales, instalación de los dispositivos, plataforma de control, plataforma de
conexión y otros gastos. El número total de socios actualmente que están registrados en la Junta
de Agua son 55 usuarios, este valor es la cantidad de medidores a instalar con la ejecución del
proyecto. En la tabla 30 se detalla el valor de cada uno de los materiales implicados en el proyecto.
Tabla 30. Presupuesto de hardware
PRESUPUESTO DE HARDWARE
DETALLE CANTIDAD P.
UNITARIO $
P.
TOTAL
$
Placa de control ESP E12 55 12.00 660.00
Sensor de flujo YF-S201 55 10.00 550.00
Electroválvula 55 40.00 2200.00
LCD 20x4 55 13.00 715.00
Modulo relé de 5v 55 3.00 165.00
Elementos electrónicos y
accesorios (jacks, cables,
estaño, etc.)
55 7.00 385.00
Accesorios para la conexión
de agua (uniones y codos de
½, neplo de ½, teflón, etc )
55 5.00 275.00
Subtotal $ 4950.00
Fuente: El autor.
114
En la tabla 31 se presenta el presupuesto para el software a utilizarse en la implementación
del sistema. Como se puede observar en la tabla no se presenta valores económicos por tal razón
el presupuesto para la utilización de las plataformas de software es cero.
Tabla 31. Presupuesto de software.
PRESUPUESTO DE SOFTWARE
DETALLE
CANTIDAD P.
UNITARIO $
P.
TOTAL $
Plataforma de programación de
la placa de control.
1 0 0
Plataforma en la nube para el
hosting de dominio.
1 0 0
Plataforma en la nube base de
datos MySQL
1 0 0
Subtotal
$
0
Fuente: El autor.
Para el control de todos los medidores se utiliza la plataforma CloudMQTT la cual permite
administrar el dispositivo instalado en los medidores desde la internet. Las conexiones necesarias
para el proyecto son 65, por esta razón se contrató el plan Keen Koala que dispone de 100
conexiones por un precio de 20, este valor se cancelara mensualmente. En la tabla 32 se presenta
el presupuesto para la mano a utilizarse en la implementación del sistema.
Tabla 32. Presupuesto de mano de obra
PRESUPUESTO PARA MANO DE OBRA.
DETALLE
CANTIDAD P.
UNITARIO $
P.
TOTAL $
Instalación de los medidores en
los domicilios.
55 25.00 1375.00
115
Subtotal
$
1375.00
Fuente: El autor.
En la tabla 33 se presenta el presupuesto total para la implementación del sistema.
Además, de los presupuestos de hardware, software y mano de obra se agregó un 10% ala costo
total por algún imprevisto.
Tabla 33. Presupuesto total.
PRESUPUESTO TOTAL
DETALLE Valor
Presupuesto de hardware 4950.00
Presupuesto de mano de obra
1375.00
Presupuesto de software
0
Presupuesto para imprevistos
10%
634.00
Total $ 6959.00
Fuente: El Autor.
Con la realización de las pruebas de funcionamiento se observó que el medidor desarrollado
funciona adecuadamente en los tres domicilios de prueba, permitiendo realizar las acciones de
lectura de consumo de agua, corte o restablecimiento de servicio y almacenamiento de los datos.
Para ejecutar las acciones de corte y restablecimiento de servicio se puede utilizar un dispositivo
que tenga conexión a internet y acceder a la página web de control para realizar a la acción
116
correspondiente. Con la obtención de las lecturas de consumo se procede a utilizar el sistema
básico de facturación para calcular los valores que los usuarios deben cancelar cada mes.
117
Capítulo 5: Conclusiones y Recomendaciones.
5.1. Conclusiones.
El sistema de medición de agua potable implementado permite monitorear de forma remota
y local el consumo de agua en la Junta Administradora de Agua “El Abra” utilizando plataformas
WEB orientadas a la internet de las cosas (IoT) y a través de interfaces de control web.
La implementación del sistema de medidores permitió solucionar los diferentes problemas
identificados en la evaluación de la situación actual como son el largo tiempo en la recolección
de las lecturas de consumo de agua debido a la ubicación a distancias largas entre domicilios, el
largo tiempo utilizado en los cálculos de las cantidades consumidas por los usuarios y el valor a
cancelar por mes, perdida de los cuadernos de registro de las lecturas, y error en los registros de
datos; automatizando los procesos antes mencionados lo cual reduce el tiempo de ejecución en
todos los procesos.
La utilización del módulo de procesamiento (NODEMCU ESP E12) permitió reducir el
uso de diferentes placas para el procesamiento de datos y la comunicación ya que integra ambas
funcionalidades en una sola, lo cual facilito un diseño más compacto del dispositivo final. Además,
de ser compatible con la plataforma IDE de Arduino para su programación posibilitando utilizar
una gran variedad de sensores con esta interfaz de desarrollo.
El uso del sistema de control remoto posibilita al administrador obtener el valor del
consumo de agua de los medidores que están dentro del sistema y dependiendo de las condiciones
118
proceder a realizar las acciones de corte y restablecimiento del servicio de forma inmediata y desde
cualquier punto que se disponga conexión a internet.
El sensado electrónico del consumo de agua potable en los domicilios faculta al usuario
visualizar información en forma digital y a las autoridades de la Junta de Agua realizar
almacenamiento de información de forma segura y asequible en una base de datos. Al tener
registros de valores diarios de consumo se puede elaborar graficas estadísticas para tener bases en
la toma de decisiones futuras.
5.2. Recomendaciones.
Implementar un sistema de backup de energía que trabajen juntamente con la alimentación
eléctrica del sistema de medición electrónico, cuando se suscite un corte de energía de la red
eléctrica sea el backup el encargado de alimentar al sistema para que no se suspenda el suministro
de agua.
Las actualizaciones del firmware del módulo Wi-Fi ESP8266 se deben realizar
semestralmente por un técnico ya que en el intervalo de tiempo mencionado estas implementan
mejoras en la ejecución de programas, y añaden seguridades a vulnerabilidades en el acceso a la
red.
Diseñar e implementar una plataforma que permita presentar información a los usuarios de
los consumos mensuales, semanales, diarios o en el tiempo más adecuado donde visualice datos
como: precio del consumo, alarmas por eventos definidos por el usuario, periodo de reportes, etc.
119
Realizar la conexión correctamente del cable de control sensor de flujo en la placa de
control es importante ya que la señal de salida que presenta el dispositivo de sensado es digital y
solo es compatible con el puerto digital de la placa, si se conecta por error en otros puertos se
presenta lecturas erróneas en el sistema.
Socializar el proyecto con los usuarios y habitantes de la comunidad haciendo énfasis en
las ventajas de la medición electrónica y control remoto, además como esto ayudaría el ahorro de
recursos, tiempo y dinero.
Analizar la implementación de un sistema de seguridad informática debido a que el sistema
estar en constante conexión a la internet es vulnerable a los ataques informáticos lo cual
ocasionaría perdidas a la organización.
120
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tarjetas RFID usando Arduino: http://geekchickens.blogspot.com/2014/01/control-de-
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Rolando, L. (2011). “DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN MEDIDOR DIGITAL. Obtenido
de https://repositorio.espe.edu.ec/bitstream/21000/5000/1/T-ESPEL-0859.pdf
SAAE. (2017). Hidrómetro. Obtenido de http://www.saaeitapetinga.com.br/conhecendo-o-
hidrometro/
SAPIENSMAN. (s.f.). VALVULAS SOLENOIDE. Obtenido de
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store.com/TUTORIALES/modulo-lector-rfid-rc522-rf-con-arduino/
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Schuler, E. (Octubre de 2016). CCM. Obtenido de http://es.ccm.net/contents/619-identificacion-
por-radiofrecuencia-rfid
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SENAGUA. (s.f.). INSTRUCTIVO PARA CONFORMACIÓN Y LEGALIZACIÓN DE JUNTAS.
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SIMAS. (2012). APRENDE A LEER TU MEDIDOR DE AGUA. Obtenido de
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Thmas Boyle, D. G. (2013). Intelligent Metering for Urban Water. Obtenido de MDPI Water:
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dise%C3%B1o-iot/
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Yuan, M. (2017). MQTT. Obtenido de https://www.ibm.com/developerworks/ssa/library/iot-mqtt-
why-good-for-iot/index.html
YUNQUERA, J. (2010). Obtenido de
http://bibing.us.es/proyectos/abreproy/11138/fichero/memoria%252FCap%C3%ADtulo+
3.pdf+
126
Glosario de términos y Acrónimos.
ARCA: Agencia de Regulación y Control del Agua.
SENAGUA: Secretaria Nacional del Agua.
Sensor de flujo: Dispositivo electrónico que permite medir el flujo de agua a través de pulsos
electrónicos generados por el paso de agua por el rotor en su interior.
Efecto Hall: Es un efecto que se produce cuando se ejerce un campo magnético transversal sobre
un cable por el que circulan cargas. Como la fuerza magnética ejercida sobre ellas es perpendicular
al campo magnético y a su velocidad, las cargas son impulsadas hacia un lado del conductor y se
genera en él un voltaje transversal o voltaje Hall (VH).
Electroválvula o válvula solenoide: Es un elemento eléctrico que posee una válvula el cual se
activa o desactiva dependiendo del cambio de estado eléctrico, así permitiendo cerrar o abrir la
válvula.
Arduino: Placa electrónica de creación de prototipos electrónicos de código abierto que permite a
los usuarios desarrollar dispositivos electrónicos de forma libre.
ESP8266: Es un módulo Wi-Fi que permite conectarse a una red de comunicación y además
realizar algún proceso como por ejemplo habilitar un servidor internamiento.
Hardware Libre: Hardware de código abierto, electrónica o máquinas libres a aquellos
dispositivos de hardware cuyas especificaciones y diagramas esquemáticos son de acceso público.
Software Libre: Sistemas, plataformas y código abierto de las cuales se puede hacer uso sin pagar
ningún valor económico por sus derechos.
INEC: Instituto Ecuatoriano de Estadísticas y Censos.
127
ANEXOS.
Anexo A: Programa utilización del módulo Wifi ESP8266 mediante comandos AT.
Los códigos presentados a continuación están desarrollados en la plataforma IDE de
Arduino.
#include <SoftwareSerial.h> //llamado a la librería Software serial
SoftwareSerial SerialESP8266(3, 4); // configuración de los pines de comunicación
void setup() {
Serial.begin(9600); // inicialización de la comunicación serial.
SerialESP8266.begin(9600); // inicialización de la comunicación serial virtual.
//SerialESP8266.begin(115200); // inicialización de la comunicación con el módulo
wifi.
}
void loop() {
if (SerialESP8266.available()) { //pregunta si hay comunicación serial con el ESP8266
Serial.write(SerialESP8266.read()); //enviar al módulo wifi los comandos leídos
}
if (Serial.available()) { //pregunta si hay comunicación serial con la PC
SerialESP8266.write(Serial.read());//enviar al módulo wifi los comandos leídos de la PC
}
}
Anexo B: Código prueba sensor de flujo y LCD.
#include <LiquidCrystal.h> //llamado a la librería de la LCD
const int rs = 12, en = 11, d4 = 10, d5 = 9, d6 = 8, d7 = 7; // asignación de los pines de la placa
para la LDC
LiquidCrystal lcd(rs, en, d4, d5, d6, d7); // configuración de los pines para la librería
const int sensor=2; // configuración del pin digital de entrada de la señal del sensor de flujo
volatile int pulsos; // variable del contador de pulsos
unsigned int litrosPorHora; // variable del cálculo de litros/hora
unsigned char sensorDeFlujo = 2; // Pin al que está conectado el sensor
128
unsigned long tiempoAnterior; // variable para calcular el tiempo
unsigned long pulsosAcumulados; // variable para Pulsos acumulados
float litros; // variable para Litros acumulados
float metroc; // variable para metros cubicos
void setup() {
lcd.begin(16, 2); // inicializar la LCD
lcd.print("SYSTEM ON"); // imprimir en la LCD
pinMode(sensor, INPUT); // modo de operación del pin2
Serial.begin(9600);
attachInterrupt(0, flujo, RISING); // inicializar las interrupciones
interrupts(); // llamada a la función de interrupción
tiempoAnterior = millis(); // asignación del valor de la función tiempo a una variable
delay(1000); // esperar por un segundo
lcd.clear(); // llamada a la función de limpieza del la LCD
}
void loop() {
if( millis() - tiempoAnterior > 1000) // pregunta si han pasado un segundo de espera
{
tiempoAnterior = millis(); //asignar un segundo de la función de espera a la variable
pulsosAcumulados += pulsos; // sumar los pulsos generados por el sensor
litrosPorHora = (pulsos * 60 / 7.5); // (Pulsos de frecuencia x 60 min) / 7.5Q = factor del sensor
pulsos = 0; // Reinicio del contador
lcd.setCursor(0,0); // ubicar cursor de la LCD en la posición 0.0
Serial.print(litrosPorHora, DEC); // imprimir litros/hora en la PC
Serial.print(" L/hora");
Serial.print(" Pulsos totales: ");
Serial.println(pulsosAcumulados);
litros = pulsosAcumulados*1.0/294; //Cada 294 pulsos = 1 litro
lcd.setCursor(0,0);
lcd.print("Litros:");
lcd.print(litros);
metroc= litros/1000;
lcd.setCursor(0,1);
129
lcd.print("MetrosC:");
lcd.print(metroc);
}
void flujo () // Funcion de cálculo de pulsos del sensor
{
pulsos++; // sumar el número de pulsos
}
Anexo C: Envió de datos a la base de datos MySQL
#include <ESP8266WiFi.h> // librería para la conexión al Wifi
#include <WiFiClient.h> // librería para el modo de operación del modulo wifi
const char* ssid = "FAMILIA_FARINANGO"; // ingreso a la SSID de una WLAN
const char* password = "1003834015"; // contrasena de la SSID
const char* host = "192.168.0.103"; // Ip fija para la SSID
int value=0; // variable de envió
String numM; //varianle de caracreres
float lectura; // variable de lectura de agua
void setup() {
Serial.begin(115200);
delay(10);
Serial.println();
Serial.println();
Serial.print("chipId: ");
numM = String(ESP.getChipId());
Serial.println(numM);
// Conexión WIFI
WiFi.begin(ssid, password); //inicializar la conexión a la WLAN
while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) { //Cuenta hasta 50 si no se puede conectar lo cancela
delay(500);
Serial.print(".");
}
Serial.println("WiFi conectado"); // Imprime es estado de la conexión a la WLAN
Serial.println("IP address");
Serial.println(WiFi.localIP());
}
void loop() {
130
delay(60000);
++value;
Serial.print("conectando a:");
Serial.println(host);
WiFiClient client;
const int httpPort=80;
if (!client.connect(host,httpPort)){
Serial.println("err conexion");
return;
}
String url="http://192.168.0.103/entrada_de_datos.php"; //conformación de la cadena de envió de datos a
la DB
String data ="medidor="+numM+"&lecturas="+String(lectura,2);
Serial.print("Url requerida");
Serial.println(url);
// función que forma la cadena de caracteres a ser enviado a través de la internet
client.print(String("POST ")+ url +" HTTP/1.0\r\n" +
"Host: " + host + "\r\n" +
"Accept: *" + "/" + "*\r\n" +
"Content-Length: " + data.length() + "\r\n" +
"Content-Type: application/x-www-form-urlcoded\r\n" +
"\r\n" + data);
delay(10);
Serial.println("responder");
while (client.available()){
String line = client.readStringUntil('\r');
Serial.print(line);
}
Serial.println();
Serial.println("cerrando conexion");
}
131
Anexo D: Código para recibir y enviar datos a la plataforma de control.
#include <ESP8266WiFi.h>
#include <PubSubClient.h>
//-------------------VARIABLES GLOBALES--------------------------
int contconexion = 0;
const char *ssid = "FAMILIA_FARINANGO";
const char *password = "FamiliaFTCerdi";
char SERVER[50] = "54.83.70.20"; //"m11.cloudmqtt.com" //servidor de la plataforma de
control
int SERVERPORT = 14923; // Puerto de comunicación entre la placa y el servidor
// credenciales de usuario
String USERNAME = "placa1";
char PASSWORD[50] = "jc12345";
// Variables
unsigned long previousMillis = 0;
char PLACA[50];
char valueStr[15];
String strtemp = "";
char TEMPERATURA[50];
char SALIDADIGITAL[50];
// Llamado a la función de conexión a la WLAN
WiFiClient espClient;
PubSubClient client(espClient);
//Funcion de llamado a la plataforma IOT de control
void callback(char* topic, byte* payload, unsigned int length) {
char PAYLOAD[5] = " ";
Serial.print("Mensaje Recibido: [");
Serial.print(topic);
Serial.print("] ");
for (int i = 0; i < length; i++) {
PAYLOAD[i] = (char)payload[i];
132
}
Serial.println(PAYLOAD);
if (String(topic) == String(SALIDADIGITAL)) {
if (payload[1] == 'N'){
digitalWrite(12, HIGH);
}
if (payload[1] == 'F'){
digitalWrite(12, LOW);
}
}
//if (String(topic) == String(SALIDAANALOGICA)) {
// analogWrite(13, String(PAYLOAD).toInt());
//}
}
//-----------------------Funcion de reconnexion -----------------------------
void reconnect() {
uint8_t retries = 3;
// Loop hasta que estamos conectados
while (!client.connected()) {
Serial.print("Intentando conexion MQTT...");
// Crea un ID de cliente al azar
String clientId = "ESP8266Client-";
clientId += String(random(0xffff), HEX);
// Attempt to connect
USERNAME.toCharArray(PLACA, 50);
if (client.connect("", PLACA, PASSWORD)) {
Serial.println("conectado");
client.subscribe(SALIDADIGITAL);
//client.subscribe(SALIDAANALOGICA);
} else {
Serial.print("fallo, rc=");
Serial.print(client.state());
133
Serial.println(" intenta nuevamente en 5 segundos");
// espera 5 segundos antes de reintentar
delay(5000);
}
retries--;
if (retries == 0) {
// esperar a que el WDT lo reinicie
while (1);
}
}
}
//------------------------SETUP-----------------------------
void setup() {
pinMode(12, OUTPUT); // D6 salida digital
digitalWrite(12, LOW);
// Entradas
pinMode(14, INPUT); // D5
// Inicia Serial
Serial.begin(115200);
Serial.println("");
// Conexión WIFI
WiFi.begin(ssid, password);
while (WiFi.status() != WL_CONNECTED and contconexion <50) { //Cuenta hasta 50 si no
se puede conectar lo cancela
++contconexion;
delay(500);
Serial.print(".");
}
if (contconexion <50) {
//para usar con ip fija
IPAddress ip(192,168,0,106);
IPAddress gateway(192,168,0,1);
IPAddress subnet(255,255,255,0);
WiFi.config(ip, gateway, subnet);
134
Serial.println("");
Serial.println("WiFi conectado");
Serial.println(WiFi.localIP());
}
else {
Serial.println("");
Serial.println("Error de conexion");
}
client.setServer(SERVER, SERVERPORT);
client.setCallback(callback);
String lectura = "/" + USERNAME + "/" + "temperatura";
lectura.toCharArray(LECTURA, 50);
String salidaDigital = "/" + USERNAME + "/" + "salidaDigital";
salidaDigital.toCharArray(SALIDADIGITAL, 50);
}
//--------------------------LOOP--------------------------------
void loop() {
if (!client.connected()) {
reconnect();
}
client.loop();
unsigned long currentMillis = millis();
if (currentMillis - previousMillis >= 10000) { //envia la lectura cada 10 segundos la plataforma
previousMillis = currentMillis;
int analog = analogRead(17);
float lectura = analog*0.322265625;
strtemp = String(lectura, 1); //1 decimal
strtemp.toCharArray(valueStr, 15);
Serial.println("Enviando: [" + String(LECTURA) + "] " + strtemp);
client.publish(LECTURA, valueStr);
}
135
Anexo E: Código página web de control.
//cabecera de la pagina
<!DOCTYPE html>
<html>
<head>
<meta charset="UTF-8">
<title>TESIS AGUA</title>
<script src='mqttws31.js' type='text/javascript'></script>
<!-- https://api.cloudmqtt.com/sso/js/mqttws31.js -->
</head>
//cuerpo de la página web, botones y cuadros de publicaciones de las lecturas
<body>
<div>
<h2>SISTEMA DE CONTROL DE MEDIDOR:</h2>
</div>
<div>
<a>LECTURA DEL MEDIDOR: </a>
<a id ="lectura">-</a>
</div>
<div>
<a>ESTADO DE MEDIDOR: </a>
<a id ="salidaDigital">-</a>
</div>
<div>
<h2>CONTROLES</h2>
</div>
<div>
<a>ELECTROVALVULA: </a>
<button type='button' onclick='OnOff("ON")'>ACTIVAR</button>
<button type='button' onclick='OnOff("OFF")'>DESACTIVAR</button>
</div>
136
<script>
// funciones de llamado a la plataforma de control
function OnOff(dato){
message = new Paho.MQTT.Message(dato);
message.destinationName = '/' + usuario + '/salidaDigital'
client.send(message);
};
// llamadas cuando se inicia una conexion
function onConnect() {
console.log("onConnect");
client.subscribe("#");
}
// llamada cuando existe una desconexión
function onConnectionLost(responseObject) {
if (responseObject.errorCode !== 0) {
console.log("onConnectionLost:", responseObject.errorMessage);
setTimeout(function() { client.connect() }, 5000);
}
}
// llamada cuando un mensaje llega
function onMessageArrived(message) {
if (message.destinationName == '/' + usuario + '/' + 'temperatura') { //acá coloco el topic
document.getElementById("temperatura").textContent = message.payloadString + "
litros";
}
if (message.destinationName == '/' + usuario + '/' + 'salidaDigital') { //acá coloco el topic
document.getElementById("salidaDigital").textContent = message.payloadString;
}
}
137
function onFailure(invocationContext, errorCode, errorMessage) {
var errDiv = document.getElementById("error");
errDiv.textContent = "Could not connect to WebSocket server, most likely you're behind a
firewall that doesn't allow outgoing connections to port 39627";
errDiv.style.display = "block";
}
var clientId = "ws" + Math.random();
// Crear una instancia de cliente
var client = new Paho.MQTT.Client("m11.cloudmqtt.com", 34923, clientId);
client.onConnectionLost = onConnectionLost;
client.onMessageArrived = onMessageArrived;
// conexion del cliente
client.connect({
useSSL: true,
userName: usuario,
password: contrasena,
onSuccess: onConnect,
onFailure: onFailure
});
</script>
</body>
</html>
Anexo F: Pagina web de login a la plataforma.
<!DOCTYPE html>
<html >
<head>
138
<meta charset="UTF-8">
<title>Login - Tesis</title>
</head>
<body>
<form action="login.php" method="POST">
<input type="text" name="user" placeholder="usuario">
<input type="password" name="pass" placeholder="contraseña">
<input type="submit" name="Enviar" >
</form>
</body>
</body>
</html>
Anexo G: Creación de la cuenta en la plataforma IoT CloudMQTT.
La creación de la cuenta en la plataforma CloudMQTT permite redireccionar los datos desde las
placas de control hacia las páginas web sin la necesidad de utilizar configuraciones con IPs
públicas.
1. Ingresar a la página web www.cloudmqtt.com para crear una cuenta.
Figura: 1 Pagina web de ClouMQTT.
2. Crear una cuenta en la plataforma.
139
Figura: 2. Creación de la cuenta
3. Seleccionar el tipo de cuenta a crear, para el caso del proyecto se seleccionó la cuenta Keen
Koala
Figura: 3. Tipos de cuenta en la plataforma.
4. Crear la cuenta.
140
Figura: 4. Creación de la cuenta.
5. Ingreso de datos y creación de la instancia
Figura: 5. Creación de la instancia
6. Visualizar las instancias creadas en la figura 6 se muestra las instancias creadas para la
ejecución del presente proyecto.
141
Figura: 6. Lista de instancias creadas en la plataforma IOT.
Anexo H: Creación de la cuenta en la plataforma Infinityfree
La plataforma Infinityfree permite alojar la base de datos en la nube por tal razón a continuación
se muestra la creación de la cuenta.
1. Ingreso a la página web infinityfree.net
Figura: 7. Página web de Infinityfree
142
2. Creacion de la cuenta.
Figura: 8. Ingreso de información
3. Creacion de la ceunta para el panel de control, en la pestana new acount se ingresa donde
se desplegan mas opciones.
Figura: 9. interfaz de creación de panel de control.
4. Creación de un dominio y subdominio, se elige un dominio deseado el cual será utilizado
para apuntar desde la placa de control.
143
Figura: 10. Interfaz de creación de dominio.
5. Acceso al panel de control de la plataforma.
Figura: 11. Panel de control de la plataforma infinityfree.
144
6. Acceso a la base de datos.
Figura: 12. Acceso a la base de datos.
7. Ingreso a la base de datos
Figura: 13. Base de datos creada para el proyecto.
145
Figura: 14. Acoplamiento de el sensor de flujo y módulo de control.
Figura:16. Acoplamiento de los componentes del medidor final.
Anexo I: Fotografías.
En este anexo se presenta las imágenes que se recopilo en el proceso de desarrollo. En la figura
15 se muestra las pruebas de acoplamiento del sensor de flujo con el módulo de control.
Para verificar el funcionamiento de todos los elementos del medidor se acoplo todos los
dispositivos como se muestra en la figura 16.
146
Figura:17. Medidores de prueba.
En la figura 17 se muestra los tres medidores de prueba construidos para las pruebas en los
diferentes puntos de la comunidad.
Anexo J: Fotografías de la presentación del proyecto a la Asamblea General.
El proyecto final fue presentado en la Asamblea General de la Junta de Agua, donde se explicó a
los asambleístas las características del sistema desarrollado, obteniendo como resultado la
aceptación total de los usuarios.
147
Figura 18: Presentación del proyecto a la Asamblea General de la Junta de Agua.
Figura 19: Usuarios de la Junta en la socialización del proyecto.
148
Figura 20: Explicando las características del sistema a los Asambleístas.
Figura 21: Presentando el proyecto.
149
Anexo K: Presentación del sistema en los domicilios.
La presentación de los medidores a las autoridades de la Junta de Agua se las realizo en cada uno
de los domicilios donde están instalados los medidores.
Figura 22: Presentación del dispositivo a los dirigentes.
150
Figura 23: Explicando las funcionalidades al presidente de la Junta de Agua.
Figura 24: Explicando las funcionalidades a un usuario.
151
Anexo L: Certificado de haber culminado el proyecto en la Junta de Agua.